Aula 6 - Reatores Série e/ou Paralelo

Aula 6 - Reatores Série e/ou Paralelo

(Parte 1 de 4)

USP – EEL - Escola de Engenharia de Lorena Reatores – Aula 6 – Reatores Contínuos em Série e/ou Paralelo

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

Sejam N reatores pistonados em série e X1, X2,, XN, a conversão de saída de cada um

1 – Reatores Tubulares em Série dos reatores em série:

A A rdXF

1-iX iiAi rdXF

V

Portanto, para N reatores em série, tem-se:

1i AiA

A A rdXF

Conclusão: N reatores tubulares em série com um volume total V fornecem a mesma conversão que um único reator tubular de volume V.

2 – Reatores Tubulares em Paralelo

É muito comum operar sistemas com N reatores tubulares em paralelo com o mesmo volume V para cada reator. Neste caso, a vazão de alimentação é constante para cada um dos N reatores, o que fará com que o tempo espacial (τ) se mantenha constante. Entretanto, a operação de sistemas com N reatores tubulares em paralelo só levará a máxima eficiência de produção se o tempo espacial (τ) para cada reator for constante. Qualquer outra forma de alimentação onde τ não seja mantido o mesmo em todos os reatores conduzirá a uma menor eficiência do sistema.

3 – Reatores de Mistura Perfeita em Série, com a mesma capacidade

Para reações de ordem n>0, a concentração do reagente diminui ao longo do comprimento de um reator tubular, enquanto que para um reator de mistura, a concentração do reagente cai imediatamente para um valor baixo.Em função disto, o reator tubular é mais eficiente do que o reator de mistura.

3.1 – Reações de Primeira Ordem

A 1iiooio io r )X(V CvVF

Se ξA = 0 ⇒ o i C CiCX−= e o

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Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira i 1ioioi o 1ioo io o iCk C Ck i 1ik τ1C

Assim:τ τ ... τ τN-i21==== .

Se todos os reatores forem iguais ⇒V1 = V2 = Vi-1 = VN, então, τ é igual para todos. Analisando o último reator, temos:

C1C
CC-1 X

C CCX Noo o NoN mas n i

CC

o )kτ(1C C

N oiτ k ireatores Nττk N

A dedução do modelo matemático acima permite a construção de um gráfico onde é possível a comparação do desempenho de uma série de N reatores de mistura perfeita de mesma capacidade com um reator tubular, para reações elementares de primeira ordem: A → produtos com ξA = 0.

A ordenada mede diretamente a razão de volumes VN/VP ou (τN/τP) para a mesma taxa de processamento de uma alimentação. (Figura 6.5 – Levenspiel – página 105)

3.2 – Reações de Segunda Ordem

De forma similar, deduziu-se um modelo matemático que conduz a Figura 3, a seguir, que compara o desempenho de uma série N de reatores de mistura perfeita de mesma capacidade com um reator tubular, para reações elementares de segunda ordem: 2A → produtos ou A + B → produtos (CAo = CBo), com ξA = 0.

A ordenada mede diretamente a razão de volumes VN/VP ou (τN/τP) para a mesma taxa de processamento de uma alimentação. (Figura 6.6 – Levenspiel – página 106)

4 – Reatores de Diferentes Tipos em Série e/ou em Paralelo

Cada caso será um caso específico e a análise deve ser feita em função do caso específico em análise como será possível verificar nas inúmeras aplicações que serão feitas.

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

Exercícios - Reatores em Série e/ou Paralelo

1 – (P1 – 2001) - Anidrido acético é hidrolisado em uma planta industrial com três reatores tanques com agitação continua em série. A velocidade de alimentação da planta industrial é de 400 cm3/minuto. Esta planta industrial opera a temperatura de 25°C. A reação química já foi estudado e sabe-se da literatura que é uma reação de primeira ordem com constante de velocidade igual a 0,158 (min)-1.

O volume do primeiro reator é de 1L, do segundo reator é de 2L e do terceiro um reator é de 1,5L. Calcular a conversão de saída de cada um dos reatores.

2 – (P1 – 2001) - Um conjunto de 100 tubos cada um com 3,5 metros de comprimento e 5 cm de diâmetro interno, todos eles operando a 550°C, será testado para funcionar em série. Uma mistura gasosa de 200 m3/hora (80% molar de A - 20% molar de inerte) é introduzida neste conjunto de reatores a 550°C e 20 atm..A reação a ser utilizada é a de polimerização do acetileno, conforme demonstrado a seguir :

4 C2H2→ (C2H2)4 , onde -rC2H2 = 0,6[C2H2]2 (mol/L.s)

A – Com todos estes tubos operando em série, qual será a conversão final do processo? B – Se operamos na ausência de inertes, mas com todas as demais condições constantes, qual será a conversão final do processo? Houve ganho nesta conversão ? Por quê?

C - Quantos tubos são necessários para 60% de conversão nesta planta industrial operando com 20% molar de inertes? e operando sem inertes ? (36 tubos)

3 – (P1 – 2007) - A reação gasosa A → R ocorre em um reator tubular a 400ºC e 16,2 atm de pressão. A alimentação possui 76,25% em peso de A e o restante em inertes.

A alimentação global é de 420 mols/hora e sabe-se que a reação é de primeira ordem irreversível com uma constante de velocidade de 0,9 (min)-1.

Determine: a) O volume do reator tubular para uma conversão de 80%. b) O volume de um reator mistura acoplado a saída deste reator tubular para uma conversão final de 95%. [V = 71,6L} DADO: Peso molecular A = 4 g/mol e Peso molecular I = 28g/mol

4 – (P1 – 2000) - Deseja-se realizar a reação em fase gasosa A → R em um sistema de reatores tubulares consistindo de 50 tubos paralelos com 12m de comprimento e 2cm de diâmetro cada tubo.

Experimentos cinéticos realizados permitiram determinar que se trata de uma reação de primeira ordem e a sua constante de velocidade possui os valores de 0,00152 s-1 e 0,0740 s-1 a temperatura de 93oC e 149oC, respectivamente.

A que temperatura este conjunto de reatores deve ser operado para obter uma conversão de 80% de A, a partir de uma alimentação de A puro a 230 mols/h e uma pressão de 100 atm. (T = 66°C) Dados (i) - Peso Molecular A = 73 g/mol (i) - Considere a queda de pressão desprezível e assuma o comportamento de gás ideal.

(i) – Considere a reação reversível desprezível nestas condições.

5 – (P1 – 2004) - 4 - A reação elementar em fase líquidaA + B → R ocorre a 25°C em

uma combinação de dois reatores tubulares em série , como mostra a figura abaixo. As concentrações de A e B na entrada do primeiro reator são iguais a 1,5 mol/L e a constante de velocidade desta reação a 25°C é 2,1 L/mol.h. Deseja-se saber :

A) a conversão de A no primeiro reator? E no segundo reator? [XA1 = 0,4 e XA2 = 0,612] B) Se os dois reatores forem agrupados em paralelo, com 50% da mistura A-B alimentada em cada reator, qual será a conversão obtida? [XA = 0,612]

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C) Se os dois reatores forem agrupados em paralelo, com uma alimentação dividida em 30% para uma corrente e 70% na outra corrente, qual será a conversão obtida? [XA2 = 0,5875] D) Analise os resultados encontrados e comente-os

1 mol/min BV = 10L V = 10L

1 mol/min A

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