O documento discute reatores químicos, incluindo: 1) Reatores químicos são equipamentos onde ocorrem reações químicas sob condições controladas. 2) Existem diferentes tipos de reatores de acordo com fatores como geometria, modo de operação, fases envolvidas e tipo de reação. 3) A modelagem matemática de reatores permite prever e otimizar seu funcionamento para obter maior rendimento.

1. REATORES
QUÍMICOS
1

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

24. 24
http://fossil.energy.gov/images/programs/p
owersystems/liqphasemethanol_schematic.j
pg
Catalizador da
síntese do metanol
(SMC-601)

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

32. 32
Reator de SO3

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

38. Legenda
F0
CA0
To
ρ0
38

39. http://www.youtube.com/watch?v=qszUm_imt7o&feature=player_detailpage
39

40. http://www.youtube.com/watch?feature=pl
ayer_detailpage&v=UGJMKIyS-Vw
http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=UGJMKIyS-Vw
40

41. 41
http://www.youtube.com/watch?feature=player_detail
page&v=TIMXE5FeAy0

42. 42
http://www.youtube.com/watch?v=UB1EvUfDoUo

43. 43
http://www.youtube.com/watch?v=C561PCq5E1g

44. 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

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
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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
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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

60. Reactor Químico com
Camisa Exterior
61

61. Reactor Químico com
Permutador Externo
62

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

63. Pá torcida
Pá virada
Turbina
Hélice
Âncora
64
Agitadores dos Reatores Químicos

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

69. Reactor tubular
70

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

75. 76
fotografias

76. 77

77. 78

78. http://www.coprinox.com/pdf/reactorsdata.pdf
79

79. 80

80. 81

81. 82