O documento discute projetos de reatores químicos, incluindo: 1) Tipos de reatores como tubulares e suas equações de balanço molar e projeto. 2) Reações químicas como simples, múltiplas, desejadas e indesejadas. 3) Seletividade e como maximizar produtos desejados em reações paralelas ou em série.

1. UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
REATORES QUÍMICOS I
PROJETO DE REATORES
QUÍMICOS

2. Introdução
MATÉRIA
PRIMA PRODUTOS
 Gerar lucro;
 Gerar intermediários químicos para novos processos;
 Maximizar a geração de produtos desejados e de maior valor
agregado;
 Produzir o maior rendimento com o menor custo;
 Operar dentro de normas pré-estabelecidas de segurança e de
respeito ao meio-ambiente.
 O que são reatores químicos e sua importância?

3. Reator Tubular
• Balanço molar
Eq. geral de balanço molar
Entrada - Saída + Geração = Acúmulo

4. Reator Tubular
• Sabendo que FA = FA0 (1-X)
Eq. de projeto do PFR

5. Reações Múltiplas
REAÇÕES SIMPLES
• Reação de síntese/adição:
• Reação de análise/decomposição:
• Reação de simples troca:
• Reação de dupla troca:
REAÇÕES
MÚLTIPLAS
• Em série/consecutivas:
• Em paralelo/competitivas:
• Complexas
• Independentes

6. Reações Múltiplas
• Reações desejadas e indesejadas
• Seletividade: qual produto é favorecido em reações
múltiplas.

7. Seletividade
• O conceito de seletividade é usado para indicar a ocorrência de
uma reação desejada em relação a reações laterais competitivas.
 Pode ser definida
matematicamente
de várias formas

8. Seletividade
• Seletividade global, em termos das vazões de saída do reator.
• Seletividade instantânea, em termos das velocidades específicas de formação.
• Para o reator batelada
𝑆𝑒𝑙 =
𝑣𝑎𝑧ã𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜
𝑣𝑎𝑧ã𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜
𝑆𝑒𝑙 =
𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎çã𝑜 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜
𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎çã𝑜 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜
𝑆𝑒𝑙 =
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜

9. Maximizando o produto desejado
Reações paralelas
• Tomando como exemplo as reações competitivas
• As leis de velocidade de produção dos produtos desejado e indesejado são:

10. Maximizando o produto desejado
Reações paralelas
• A velocidade de consumo de A para essa sequência de reações é a
soma das velocidades de formação de U e de D.
• Para maximizar a quantidade de D, queremos que a sua velocidade de
formação seja alta em relação à velocidade de formação de U.
• Parâmetro de seletividade baseado nas velocidades

11. Maximizando o produto desejado
Reações paralelas
• Caso 1, α1 > α2
Usar reator
Batelada ou
PFR!

12. Maximizando o produto desejado
Reações paralelas
• Caso 2, α1 < α2:
Usar reator
Batelada ou
CSTR!

13. Maximizando o produto desejado
Manter
temperatura
alta!
• Caso 2, ED >EU

14. Maximizando o produto desejado
Manter
temperatura
baixa!
• Caso 2, ED <EU

15. Maximizando o produto desejado
Reações em série
• No cenário de reações consecutivas, a variável mais importante é
o tempo: tempo espacial para um reator com escoamento e
tempo real para o reator batelada.

16. Velocidade resultante de formação
• As velocidades resultantes de reação de A e de B são
encontradas somando as velocidades de formação de A e de B
para cada reação em que as espécies A e B ocorrem.

17. Leis de velocidade
• As leis de velocidade para cada uma das reações individuais são expressas em
termos de concentrações Cj, da espécie que reage.
• Se a reação a seguir seguisse uma lei elementar de velocidade, então a
velocidade de consumo de A na reação seria:
Velocidade de consumo de A
Velocidade de formação de A

18. Leis de velocidade
• Sabe-se que a relação entre as velocidades específicas de reação segue a
equação genérica abaixo:
• Sendo assim, as velocidades de formação das outras espécies presentes na
reação são:

19. PROBLEMA 6-14B FOGLER
As seguintes reações ocorrem isotermicamente em um PFR de 50m³:
A + 2B → C + D rD1 = kD1CACB²
2D + 3A → C + E rE2 = kE2CACD
B + 2C → D + F rF3 = kF3CBCC²
Reação em fase líquida
Kd1 (dm6/mol².min) 0,25 CA0 (mol/dm³) 1,5
kE2 (dm³/mol.min) 0,1 CB0 (mol/dm³) 2,0
kF3 (dm6/mol².min) 5,0 υ0 (dm³/min) 10,0
E deseja-se obter a concentração final de cada composto A, B, C, D e F.

20. LEIS DE VELOCIDADES EM REAÇÕES MÚLTIPLAS
A + 2B → C + D (1)
2D + 3A → C + E (2)
B + 2C → D + F (3)
REAÇÃO 1
𝑟𝐴1
−1
=
𝑟𝐵1
−2
=
𝑟𝐶1
1
=
𝑟 𝐷1
1
REAÇÃO 2
𝑟 𝐷2
−2
=
𝑟𝐴2
−3
=
𝑟𝐶2
1
=
𝑟𝐸2
1
REAÇÃO 3:
𝑟𝐵3
−1
=
𝑟𝐶3
−2
=
𝑟 𝐷3
1
=
𝑟𝐹3
1
rA = rA1 + rA2
rB = rB1 + rB3
rC = rC1 + r2C + r3C
rD = rD1 + rD2 + r3D
rE = rE2
rF = rF3

21. LEIS DE VELOCIDADES EM REAÇÕES MÚLTIPLAS
rA = - kD1CACB² + 3kE2CACD
rB = - kD1CACB² - kF3CBCC²
rC = kD1CACB² + kE2CACD - kF3CBCC²
rD = kD1CACB² - 2 kE2CACD + kF3CBCC²
rE = kE2CACD
rF = kF3CBCC²
rA = -rD1 + 3rE2
rB = -2rD1 - rF3
rC = rD1 + r2E - r3F
rD = rD1 - 2rE2 + r3F
rE = rE2
rF = rF3

22. BALANÇO MOLAR POR COMPONENTE
Para A: 15 − 10𝐶𝐴 − 12,5𝐶𝐴 𝐶 𝐵
2
− 15𝐶𝐴 𝐶 𝐷 = 0 = 𝑓1
Para B: 20 − 10𝐶 𝐵 − 25𝐶𝐴 𝐶 𝐵
2
− 250𝐶 𝐵 𝐶𝑐
2
= 0 = 𝑓2
Para C: −10𝐶 𝐶 + 12,5𝐶𝐴 𝐶 𝐵
2
+ 5𝐶𝐴 𝐶 𝐷 − 500𝐶 𝐵 𝐶𝑐
2 = 0 = 𝑓3
Para D: −10𝐶 𝐷 + 12,5𝐶𝐴 𝐶 𝐵
2
− 10𝐶𝐴 𝐶 𝐷 + 250𝐶 𝐵 𝐶𝑐
2 = 0 = 𝑓4
Para E: −10𝐶 𝐸 + 5𝐶𝐴 𝐶 𝐷 = 0 = 𝑓5
Para F: −10𝐶 𝐹 + 250𝐶 𝐵 𝐶 𝐶
2
= 0 = 𝑓6
𝑎𝑐ú𝑚𝑢𝑙𝑜 = 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − 𝑠𝑎𝑖 + 𝑔𝑒𝑟𝑎çã𝑜
𝑉
𝑑𝐶𝑖(𝑡)
𝑑𝑡
= 𝑣0 𝐶𝑖0 − 𝑣𝐶𝑖 + 𝑟𝑖𝑉
𝑣0 = 𝑣
𝑣0 𝐶𝑖0 − 𝐶𝑖 + 𝑟𝑖𝑉 = 0

23. MÉTODO DE SENL POR NEWTON
𝐽 𝑥 𝑘, 𝑦 𝑘
𝑥 𝑘+1 − 𝑥 𝑘
𝑦 𝑘+1 − 𝑦 𝑘
=
−𝑓(𝑥 𝑘, 𝑦 𝑘)
−𝑔(𝑥 𝑘, 𝑦 𝑘)
𝐽 𝑥 𝑘, 𝑦 𝑘 =
𝜕𝑓
𝜕𝑥 𝑘
𝜕𝑓
𝜕𝑦 𝑘
𝜕𝑔
𝜕𝑥 𝑘
𝜕𝑔
𝜕𝑦 𝑘
(× 𝑖𝑛𝑣𝐽(𝑥 𝑘, 𝑦 𝑘))
𝑥 𝑘 − 𝑥0
𝑦 𝑘 − 𝑦0
=
−𝑓 𝑥 𝑘, 𝑦 𝑘
−𝑔 𝑥 𝑘, 𝑦 𝑘
𝑖𝑛𝑣(𝐽 𝑥 𝑘, 𝑦 𝑘 )
Multiplicando ambos os lados da equação pela inversa

24. RESOLUÇÃO DO MÉTODO
𝐹 =
15 − 10𝐶𝐴 − 12,5𝐶𝐴 𝐶 𝐵
2
− 15𝐶𝐴 𝐶 𝐷
20 − 10𝐶 𝐵 − 25𝐶𝐴 𝐶 𝐵
2
− 250𝐶 𝐵 𝐶𝑐
2
−10𝐶 𝐶 + 12,5𝐶𝐴 𝐶 𝐵
2
+ 5𝐶𝐴 𝐶 𝐷 − 500𝐶 𝐵 𝐶𝑐
2
−10𝐶 𝐷 + 12,5𝐶𝐴 𝐶 𝐵
2
− 10𝐶𝐴 𝐶 𝐷 + 250𝐶 𝐵 𝐶𝑐
2
−10𝐶 𝐸 + 5𝐶𝐴 𝐶 𝐷
−10𝐶 𝐹 + 250𝐶 𝐵 𝐶 𝐶²
𝐶𝑠 =
𝐶𝐴 𝑘
− 𝐶𝐴 𝑒
𝐶 𝐵 𝑘
− 𝐶 𝐵 𝑒
𝐶 𝐶 𝑘
− 𝐶 𝐶 𝑒
𝐶 𝐷 𝑘
− 𝐶 𝐷 𝑒
𝐶 𝐸 𝑘
− 𝐶 𝐸 𝑒
𝐶 𝐹 𝑘
− 𝐶 𝐹𝑒
𝐶𝑠 = −𝐹 × 𝑖𝑛𝑣(𝐽)
𝐽 =
𝜕𝑓1
𝜕𝐶𝐴
𝜕𝑓1
𝜕𝐶 𝐵
𝜕𝑓1
𝜕𝐶 𝐶
𝜕𝑓1
𝜕𝐶 𝐷
𝜕𝑓1
𝜕𝐶 𝐸
𝜕𝑓1
𝜕𝐶 𝐹
𝜕𝑓2
𝜕𝐶𝐴
𝜕𝑓2
𝜕𝐶 𝐵
𝜕𝑓2
𝜕𝐶 𝐶
𝜕𝑓2
𝜕𝐶 𝐷
𝜕𝑓2
𝜕𝐶 𝐶
𝜕𝑓2
𝜕𝐶 𝐹
𝜕𝑓3
𝜕𝐶𝐴
𝜕𝑓3
𝜕𝐶 𝐵
𝜕𝑓3
𝜕𝐶 𝐶
𝜕𝑓3
𝜕𝐶 𝐷
𝜕𝑓3
𝜕𝐶 𝐶
𝜕𝑓3
𝜕𝐶 𝐹
𝜕𝑓4
𝜕𝐶𝐴
𝜕𝑓4
𝜕𝐶 𝐵
𝜕𝑓4
𝜕𝐶 𝐶
𝜕𝑓4
𝜕𝐶 𝐷
𝜕𝑓4
𝜕𝐶 𝐶
𝜕𝑓4
𝜕𝐶 𝐹
𝜕𝑓5
𝜕𝐶𝐴
𝜕𝑓5
𝜕𝐶 𝐵
𝜕𝑓5
𝜕𝐶 𝐶
𝜕𝑓5
𝜕𝐶 𝐷
𝜕𝑓5
𝜕𝐶 𝐶
𝜕𝑓5
𝜕𝐶 𝐹
𝜕𝑓6
𝜕𝐶𝐴
𝜕𝑓6
𝜕𝐶 𝐵
𝜕𝑓6
𝜕𝐶 𝐶
𝜕𝑓6
𝜕𝐶 𝐷
𝜕𝑓6
𝜕𝐶 𝐶
𝜕𝑓6
𝜕𝐶 𝐹

25. RESULTADOS
Estimativa inicial
𝐶𝐴 𝑒
= 0,6
𝑚𝑜𝑙
𝑑𝑚3 𝐶 𝐵 𝑒
= 0,8
𝑚𝑜𝑙
𝑑𝑚3 𝐶 𝐶 𝑒
= 0,1
𝑚𝑜𝑙
𝑑𝑚3 𝐶 𝐷 𝑒
= 0,4
𝑚𝑜𝑙
𝑑𝑚3 𝐶 𝐸 𝑒
= 0,1
𝑚𝑜𝑙
𝑑𝑚3 𝐶 𝐹𝑒
= 0,2
𝑚𝑜𝑙
𝑑𝑚3.
Resultados em mol/dm³ após 3 iterações:
𝐶𝐴 = 0,6083 𝐶 𝐵 = 0,7927
𝐶 𝐶 = 0,1127 𝐶 𝐷 = 0,4535
𝐶 𝐸 = 0,1379 𝐶 𝐹 = 0,2516

26. ROTINA DO MATLAB

27. APLICAÇÃO NA INDUSTRIA
 Em 1859 pelo químico francês Charles-Adolphe
Wurtz, o qual utilizou como precursores de 2-
cloroetanol com uma base.
 Em 1931 - Theodore Lefort - óxido de etileno
diretamente do etileno e oxigênio, usando prata como
catalisador.
 Desde 1940, quase todo óxido de etileno produzido
industrialmente tem sido feito usando este método.
PRODUÇÃO DO ÓXIDO DE ETILENO

28. APLICAÇÃO NA INDUSTRIA
 O óxido de etileno libera grandes quantidades
de energia, fazendo com que a recuperação
desta seja uma grande preocupação primordial
no projeto de unidades produtivas.
 Por isso, um fluido refrigerante em cada reator,
de modo a remover o calor gerado. O controle
da temperatura da camisa destes reatores são
parâmetros utilizados para controle e
determinação da atividade do catalisador.
PRODUÇÃO DO ÓXIDO DE ETILENO
REATOR DE LEITO FIXO
O escoamento de
gases em leito fixo se
aproxima de um
reator pistonado.
(RIBEIRO,2014)

29. APLICAÇÃO NA INDUSTRIA

30. APLICAÇÃO NA INDUSTRIA
REAÇÕES DO ÓXIDO DE ETILENO
 Reação 1: Oxidação parcial do óxido de etileno
– libera 35 kcal/mol – reação desejada;
 Reação 2: Oxidação total do etileno a dióxido
de carbono e água – libera 337 kcal/mol –
reação indesejada;
 Reação 3: A oxidação do óxido a dióxido de
carbono e água – libera 302 kcal/mol - reação
indesejada;

31. CONCLUSÃO
• Vemos que nem sempre os reagentes presentes em um reator
reagem em uma rota específica para resultar no produto
desejado, como em uma reação simples.
• Logo, se faz necessário o calculo do rendimento do produto de
interesse, assim como o quanto ele é formado em relação aos
demais produtos, conceito esse que chamamos de seletividade.
• Desta forma, será possível fazer um estudo dos reatores
necessários para maximizar a produção do produto de interesse
de forma economicamente viável.

32. CONCLUSÃO
• Ainda, vemos que para encontrar o perfil das vazões
molares, de concentração e de pressão é necessário o uso
de métodos numéricos, ou de um solver de EDOs, para
combinar os balanços molares, com as velocidades
resultantes de formação para cada espécie envolvida.
• Com uso deste recurso, será possível o cálculo da
seletividade, e, consequentemente, do estudo de
maximização de produção da espécie de interesse.

33. REFERÊNCIAS
• FOGLER, S. C., Elementos de Engenharia das Reações
Químicas, 3ª ed., Editora LTC, 2002.
• P. P. McClellan (1950). Manufacture and Uses of Ethylene
Oxide and Ethylene Glycol. Ind. Eng. Chem.
• Streitwiser, Andrew; Heathcock, Clayton H. (1976).
Introduction to Organic Chemistry Macmillan.
• RIBEIRO, G L. Estudo da Estabilidade da Reação
Industrial de formação de óxido de Etileno a partir do
gerenciamento das Variáveis Críticas de Processo. Tese. p
222. 2013

34. Juliana Soares de Souza - 11507001
Marina Burtity Moura de Moura -11121642
Romário Ewerton Lira de Abreu - 11228345
Thais Cartaxo de Almeida - 11111093
UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
REATORES QUÍMICOS I
Profª Drª Karla Silvana Menezes Gadelha de Sousa
PROJETO DE REATORES
QUÍMICOS