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Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Romário Ewerton
Romário Ewerton
Romário EwertonDiretor de Gestão de pessoas em PROJEQ (Empresa júnior - Junior Company)

Um exercício resolvido do fogler sobre reações multiplas

Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
REATORES QUÍMICOS I
PROJETO DE REATORES
QUÍMICOS
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?
Reator Tubular
• Balanço molar
Eq. geral de balanço molar
Entrada - Saída + Geração = Acúmulo
Reator Tubular
• Sabendo que FA = FA0 (1-X)
Eq. de projeto do PFR
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
Reações Múltiplas
• Reações desejadas e indesejadas
• Seletividade: qual produto é favorecido em reações
múltiplas.
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  • 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
  • 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)
  • 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