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REATORES QUIMICOS EM BATELADA
Tipologia: Trabalhos
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Não perca as partes importantes!
O reator químico é um equipamento onde se formam os produtos a partir da matéria
prima. No reator, o fluido reacional pode ser aquecido ou resfriado e também permutar
massa e calor com uma fase estagnada.
Estão presentes nas variadas fábricas de produtos químicos, destinados a tratamento
físicos das matérias primas, de efluentes, e dos produtos da reação. Com o objetivo de
maximizar a geração de produtos desejados e de maior valor agregado, produzir o maior
rendimento com o menor custo e gerar intermediários químicos para novos processos,
operando dentro de normas pré-estabelecidas de segurança e de respeito ao meio-ambiente.
O tamanho do reator geralmente é pequeno em relação ao tamanho total de uma
planta, uma vez que o condicionamento do material de partida e também isolamento e
purificação do produto geralmente têm uma demanda de espaço muito grande. A escolha
apropriada do reator pode influenciar a qualidade do produto e, portanto, a economia de todo
o processo.
Os reatores químicos encontram - se em duas formas:
Tanques
Tubos.
Os convencionais podem ser basicamente:
Reator em batelada; (a)
Reator tubular (PFR); (b)
Tanque de mistura (CSTR ) ; (c )
Semibatelada.
(a) (b) (c)
FIGURA - PRINCIPAIS TIPOS DE REATORES IDEAI.
A composição da mistura reacional muda ao longo do tempo de residência, mas
somente enquanto o estado de equilíbrio ainda não for atingido. A agitação intensa e contínua
garante que a mesma temperatura e concentração estejam presentes em todos os lugares do
reator. Essas parâmetros são, portanto, uniformes mas não constantes ao longo do tempo. A
operação do reator é transitória.
Vantagens:
Conversões elevadas.
Flexibilidade de operação.
Fácil de limpar.
Tempo de residência bem definido.
Melhor controle de processo para reações viscosas.
Alta rotatividade devido a tempos de reação uniformes e arbitrariamente
longos.
Desvantagem :
Alto custo operacional.
Qualidade do produto obtido é mais variável que a de operações
contínuas.
Variabilidade de produtos de batelada para batelada.
Dificuldade de produção em larga escala.
Limitado controle de temperatura.
Usos industriais :
Indústria alimentícia, de pigmentos e de polímeros.
Tratamento de efluentes.
Química fina.
Indústria farmacêutica.
Produção de cosméticos.
FIGURA: Esquema de reator batelada
Hipóteses:
num dado instante.
Balanço de Massa:
Entra – Sai – Consumo = Acúmulo
Base de Cálculo: 1 mol do reagente limitante A
Entra– Sai– Consumo = Acúmulo
Consumo = - Acúmulo
Determinação
do Volume
O reator CSTR é um tanque operado continuamente, muito utilizado em
processamento industrial, principalmente em fase liquida.
É normalmente operado em estado estacionário e é considerado estar
perfeitamente misturado, consequentemente, a temperatura, a concentração ou a velocidade de
reação dentro do CSTR não depende do tempo ou da posição.
Assim, a temperatura e a concentração são as mesmas na saída como em
qualquer outro ponto do tanque.
Em operação contínua, os reagentes são alimentados ao reator a uma taxa de
fluxo constante. A mistura reacional também é retirada continuamente. Todos os parâmetros
de reação são mantidos constantes ao longo do tempo, portanto a expressão
“funcionamento estacionário”.
Vantagens:
Alta mecanização e automação.
Qualidade constante do produto.
Tempo morto (isto é, todas as etapas fora da reação química) baixo.
Operação contínua.
Bem misturado.
Bom controle de temperatura.
Reprodutibilidade.
Baixo custo operacional.
Fácil de limpar.
Desvantagem:
Alto investimento para implementação da operação contínua.
Menor conversão por volume para a maior parte das reações.
Somente pequenas mudanças nos parâmetros são viáveis.
Essa baixa flexibilidade exige então que a qualidade da matéria-prima seja
constante.
Usos industriais:
Reações de polimerização, esterificação, saponificação, desidratação, hidrólise.
Cloração de aromáticos.
Epoxidação da propeno.
Produção de SO2 , nitrato de amônia.
FIGURA: Reator CSTR por dentro.
FIGURA: Reator CSTR.
A equação de desempenho
para o reator de mistura perfeita é
obtida pelo balanço global, que faz
um balanço de um dado componente no
interior de um elemento de volume do sistema. Mas, uma vez a composição é
O reator de fluxo em plugue, também chamado de reator tubular, consiste em um
tubo cilíndrico longo ou em vários reatores menores em um feixe de tubos, no qual um ou
mais reagentes fluidos são bombeados e a reação química ocorre à medida que os
reagentes escoam através desse tubo. Utilizados para:
Reações líquidas.
Reações gasosas.
Reações gás-líquido.
Reações com velocidade elevada.
Possuem características diferentes que as bateladas, sobre o fluxo e à mistura da
matéria e o calor da reação. No tubo de fluxo ideal, a massa de reação se move em forma de
pistões ou plugues através do tubo que assumem o perfil de velocidade. A massa de reação
pode ser vista como série de muitos plugues pequenos que enchem todo o tubo. Esses plugues
se movem através do tubo com velocidade constante. Neste modelo ideal os conteúdos de
diferentes plugues não se misturam, a mistura ocorre apenas dentro do mesmo plugue.
Também se assume que dentro de um plugue, quando se mover do centro em direção à
beirada (radial), não ocorram gradientes de temperatura nem de concentração. Em um
determinado plugue a conversão é maior (menor) do que no elemento de volume anterior
(posterior), uma vez que os volumes percorreram diferentes caminhos dentro do tubo, os
plugues adjacentes diferem nos tempos de reação. Isso resulta em perfis de concentração e
temperatura ao longo do eixo do tubo. Para este modelo ideal deve-se assumir um fluxo
altamente turbulento, uma vez que só neste regime se consegue um grau de mistura
satisfatório dentro de um plugue. Assume-se Re ≥ 4000.
FIGURA: Reator PFR.
Vantagens :
A equação para projetar PFRs no estado estacionário pode ser
desenvolvida de duas maneiras:
1º diretamente através da equação anterior,
por diferenciação com relação ao volume V;
2º a partir de um balanço molar para a espécie j em um segmento
diferencial do volume do reator, ∆V.
Escolhendo a segunda maneira, teremos:
O volume diferencial, ∆V, mostrado na figura abaixo, será escolhido
suficientemente pequeno, de tal modo que não haja variações de velocidade de
reação no interior desse volume.
REATOR SEMI BATELADA
Muito similar ao reator em batelada. Pode-se operar de diversas maneiras, como,
carregar algum dos reagentes dentro do tanque e então alimentar o material remanescente
gradualmente. Em operação contínua, os reagentes são alimentados ao reator a uma taxa de
fluxo constante. Muito utilizado em processos de fermentação, reações líquidas, reações gás-
líquido, reações sólido-líquido e reações múltiplas. A mistura reacional também é retirada
continuamente. Todos os parâmetros de reação são mantidos constantes ao longo do tempo,
portanto a expressão “funcionamento estacionário”.
Operação Semi-contínua ( Semibatelada), neste modo operacional, o tanque é
parcialmente preenchido com reagente adicionados progressivamente até a composição
desejada ser atingida. Um sistema operado de maneira semi-contínua é dito estar em regime
transiente ou estado não estacionário.
FIGURA: Reator Semibatelada.
A batelada é usada em operação descontínua, portanto o operador tem como parâmetro de
operação, além da temperatura, pressão e concentrações iniciais, o tempo de reação, chamado
de tempo de residência. A mistura reacional é introduzida inteiramente num momento
específico e completamente removida, no final da reação. Assim, toda a massa reacional tem
exatamente o mesmo tempo de reação no reator.
No caso de reatores em operação contínua, um fluxo de volume constante é introduzido no
reator a qualquer momento e removido na saída do reator, por isso se usa a expressão
“condições estacionárias”. Ao contrário da batelada, os reatores em operação contínua se
caracterizam por mostrar uma função de distribuição. Assim, o tempo de residência é um
critério importante para descrever reatores reais operados continuamente. O tempo médio de
residência é uma medida de quanto tempo a massa reacional leva, em média, para fluir através
de um reator. No entanto, os tempos de residência efetivos das partículas individuais podem
ser muito diferentes. O tempo médio de residência não diz nada sobre a dispersão dos tempos
de residência individuais.
O estudo do puro tempo de residência exige que a massa transportada através do reator
contínuo, o qual: Não sofra nenhuma conversão química, não há mudanças de temperatura ao
longo do percurso,não há mudança na pressão e nenhuma alteração de volume.
Portanto, o balanço do reator deve ser feito de maneira diferencial, são concebíveis dois casos
limites de reatores contínuos, que são os reatores CSTR e PFR. Nestes observamos os
seguintes regimes de mistura:
é realizada na batelada perfeitamente agitada, CSTR.
Portanto, esse regime de fluxo pode ser denominado de fluxo de encaixe, fluxo de pistão ou
fluxo em plugue; cada plugue representa então um “mini-reator” que representa nosso
envelope para os balanços.
O reator batelada mesmo sendo muito parecido com o reator semibatelada é o único
entre eles que possui um processo fechado onde a reação é feita por completo e não permiti
entrada nem saída dos regentes, fazendo com que não seja um equipamento ideal para
processos de grande escalas.
Os reatores CSTR e PFR, já são operação para grandes escalas, com um ou mais fluidos.
O reator CSTR são grandes tanques indicados para processos que requerem agitação, podem
ser empregados para sistemas com mais de uma fase, como por exemplo, reações gás-líquido
e sólido-líquido.
O reator PFR são reatores em forma de um longo tubo ou vários tubos mais curtos, os
reagentes são bombeados dentro dessa tubulação e reagem entre si lá, são empregados
principalmente para reações gasosas, que podem ocorrer rapidamente e em altas temperaturas.
O reator Semibatelada é operado tanto com entradas e saídas em bateladas, conduzir uma
reação de gás com um líquido é geralmente difícil, pois há perdas do gás em bolhas. Portanto,
uma alimentação contínua de gás é injetada na batelada de um líquido.
Os reatores químicos, são vasos projetados com o objetivo de controlar e obter reações químicas
indústrias ou laboratoriais, produzindo sempre agitação com a finalidade de obter troca de calor,
maximizando os valores da reação.
Os reatores convencionais são projetados em tanques e tubos, seguindo um processo de operação
continua ou em batelada, de forma estacionaria ou regime transiente, podendo receber um ou mais
sólidos. Cada reator opera de uma forma, tendo suas vantagens e desvantagens, por isso é essencial
o estudo do seu projeto antes de escolher o reator certo.
