aula1 - Introdução a Engenharia de Reatores

aula1 - Introdução a Engenharia de Reatores

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USP – EEL - Escola de Engenharia de Lorena Reatores – Aula 1 – Introdução a Engenharia de Reatores

_ Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira

1 - Introdução

“A cinética química e o projeto de reatores estão no coração de quase todos os produtos químicos industriais. É, principalmente, o conhecimento da cinética química e o projeto do reator que distinguem o engenheiro químico dos outros engenheiros” (Fogler – Capítulo 1 – Introdução de seu livro)

2 – Objetivos do Curso

- Familiarizar estudantes com a terminologia e conceitos das Engenharias das Reações

Químicas. - Integrar para o estudante o uso da Cinética Química no projeto de reatores químicos.

- Desenvolver e reforçar habilidades matemáticas necessárias para o projeto de reatores químicos.

3 – Estrutura

A idéia central do curso de reatores é permitir que o aluno faça a integração entre os conhecimentos de química e a sua aplicação na Engenharia.

Os pilares da Engenharia das Reações Químicas, segundo Fogler, estão representados na Figura 1.

Figura 1 - Os pilares da Engenharia das Reações Químicas

4 – Equação Geral de Balanço de Massa

O ponto inicial para o estudo de reatores é o balanço de massa das espécies químicas (reagentes ou produtos) que participam de uma reação química.

Este balanço de massa é representado, de uma forma geral, pela equação 1.

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_ Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira volumede elemento no reagente do acúmulo de Taxa volumede elemento no Química Reação à devido reagente de consumo de Taxa volumede elemento do fora para reagente de escoamento de Taxa volumede elemento do dentro para reagente de escoamento de Taxa

[Entra] = [Sai] + [Reage] + [Acumula]

_ Equação 1 – Balanço de Massa Genérico

Para um elemento de volume do reator, o balanço de massa é representado na Figura 2.

Figura 2 – Balanço de massa para um elemento de volume do reator (Levenspiel)

5 – Equação Geral de Balanço de Energia

Uma análise mais completa de um reator implica também no estudo do balanço de energia das espécies químicas (reagentes ou produtos) que participam de uma reação química.

Este balanço de energia é representado, de uma forma geral, pela equação 2.

volumede elemento no energia de acúmulo de Taxa volumede elemento no química reação pela consumida energia de Taxa volumede elemento do sai que energia de Taxa volumede elemento no entra que energia de Taxa

[Entra] = [Sai] + [Reage] + [Acumula]

_ Equação 2 – Balanço de Energia Genérico

Para um elemento de volume do reator, o balanço de energia é representado na Figura 3.

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_ Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira

Figura 3 – Balanço de energia para um elemento de volume do reator (Levenspiel)

6 – Reatores Ideais e Não Ideais

Reatores Ideais são aqueles para os quais se desenvolve um modelo matemático específico a partir de condições pré-estabelecidas e que aplicado às condições reais se ajusta adequadamente.

Reatores Não Ideais são aqueles para os quais é necessário um tratamento matemático específico em função de peculiaridades de reação e/ou reator.

O foco do nosso curso estará em Reatores Ideais.

7 – Tipos de Processos Os três tipos de processos mais comuns são os seguintes:

• Descontínuo (ou Batelada) – Exemplo (a) da Figura 4

• Contínuo - Exemplo (b) da Figura 4

• Semi Batelada (ou semi contínuo) - Exemplos (c), (d) e (e) da Figura 4

Figura 4 – Formas de alimentação de um sistema (Levenspiel)

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_ Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira

Para cada uma das formas de alimentação apresentadas na Figura 4, a Tabela 1 apresenta um resumo da análise da variação do volume e da composição do meio reacional em função do tempo.

(a) Batelada Constante Variável

(b) Contínua Constante Constante (no mesmo ponto)

(c) Semi Batelada Variável Variável

(d) Semi Batelada Variável Constante

(e) Semi Batelada Constante Variável

Tabela 1 - Análise da variação do volume e da composição do meio reacional em função do tempo para diferentes formas de operação de um reator.

8 – Os 3 principais Reatores Ideais Básicos (foco nas reações homogêneas) 8.1- Reator descontínuo (ou batelada) – é um tanque com agitação mecânica no qual todos os reagentes são introduzidos no reator em uma única vez. Em seguida são misturados e reagem entre si. Após um tempo, os produtos obtidos são descarregados de única vez deste reator. Em inglês é conhecido como: Batch Reactor (vide figura 5a)

8.2 – Reator Tubular – é um tubo sem agitação no qual todas as partículas escoam com a mesma velocidade na direção do fluxo. Em inglês é conhecido como: Tubular Reactor ou Plug Flow Reactor (PFR). (vide figura 5b)

8.3 – Reator de mistura – é um tanque agitado com escoamento contínuo e sem acúmulo de reagentes ou produtos e é operado de acordo com as seguintes características: composição uniforme dentro do reator

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