Reatores e simulaçao

Reatores e simulaçao

(Parte 1 de 7)

Combinação de Reatores Contínuos (CSTR e PFR) validando resultados computacionais com dados obtidos experimentalmente

BAGÉ, JULHO DE 2011

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1 JORGE LUIZ OLIVEIRA LUCAS JÚNIOR

Combinação de Reatores Contínuos (CSTR e PFR) validando resultados computacionais com dados obtidos experimentalmente

Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado para obtenção do grau de engenheiro químico, no curso de engenharia química da Universidade Federal do Pampa, UNIPAMPA.

Orientadora: Prof.ª Dr.ª Ana Rosa Costa Muniz

BAGÉ, JULHO DE 2011

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2 JORGE LUIZ OLIVEIRA LUCAS JÚNIOR

Combinação de Reatores Contínuos (CSTR e PFR) validando resultados computacionais com dados obtidos experimentalmente

Trabalho de Conclusão de Curso aprovado pela Banca Examinadora para obtenção do Grau de Engenheiro químico no Curso de engenharia química da Universidade Federal do Pampa,

UNIPAMPA, com Linha de Pesquisa em Reatores Químicos e Simulação de Processos.

Bagé, 08 de Julho de 2011.

Prof.ª Drª Ana Rosa Costa Muniz - UNIPAMPA - Orientadora

Prof. Dr. Evandro Steffani - UNIPAMPA Prof. Dr. Alexandre Arruda - UNIPAMPA

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“A primeira etapa para o conhecimento é saber que somos ignorantes” Sócrates (470-399 a.C.)

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4 RESUMO

Um simulador de processos químicos permite prever o comportamento de um equipamento ou de uma Planta química de forma ágil e econômica utilizando modelos termodinâmicos intrínsecos, balanços de massa, de energia, de quantidade de movimento, equilíbrio químico e de fases, taxas de reação e curvas do comportamento de equipamentos específicos. No presente trabalho será utilizado o simulador Aspen Plus 1.1 para simular diferentes configurações de reatores contínuos, CSTR e PFR, presentes em um módulo didático de reatores a ser adquirido pela UNIPAMPA. Serão analisadas combinações em série e em paralelo visando ou aumentar o grau de conversão de um reagente ou a quantidade do produto desejado por meio de uma análise de sensitividade paramétrica. As variáveis a serem manipuladas serão a vazão de alimentação e o volume reacional total. Os resultados obtidos por simulação serão validados experimentalmente no módulo didático de reatores e poderão servir para um futuro scale up1 para planta piloto ou industrial. .

Palavras-chave: Combinação de reatores; Aspen Plus; Simulação.

_ 1 Permite passar de uma escala de laboratório ou piloto de desenvolvimento, para uma escala ampliada de produção. Informação retirada de: SOLTERMANN, Omar E. Condicionantes Socio-técnicos da Extrapolação (Scale-UP) de Processos Químicos. Campinas: 1992.

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5 ABSTRACT

A chemical process simulator can predict the behavior of a device or a chemical plant in a timely and cost using intrinsic thermodynamic models, mass balances, energy, momentum, chemical and phase equilibrium, reaction rates and curves the behavior of specific equipment. In this paper we will use the simulator Aspen Plus 1.1 to simulate different configurations of continuous reactors, CSTR and PFR, present in a didactic module reactors to be acquired by UNIPAMPA. Combinations will be analyzed in series and in parallel in order to increase the degree of conversion of a reagent or the amount of the desired product by means of a parametric sensitivity analysis. The variables to be manipulated will be the flow rate and total volume reaction. The results obtained by simulation will be validated experimentally in the reactors and didactic module may serve for future scale up1 to pilot plant or industrial. .

Keywords: Combination of reactors; Aspen Plus; Simulation.

1 Lets move from a laboratory or pilot scale development to a wider scale production. Information taken from: SOLTERMANN, Omar E. Constraints Socio-technical Extrapolation (Scale-UP) Chemical Processes.Campinas, 1992.

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6 LISTA DE FIGURAS

FIGURA 2.1: Balanço de massa para um volume de reator20
FIGURA 2.2: Balanço de energia para um volume de reator21
FIGURA 2.3: Fluxograma de Construção de um Reator CSTR28
FIGURA 2.4: Fluxograma de Construção de um Reator PFR29
FIGURA 4.1: Tela de abertura do Aspen Plus User Interface 1.131
FIGURA 4.2: Janela de construção de fluxograma para reatores químicos32
FIGURA 4.3: Correntes de massa entrando e saindo de um CSTR32
FIGURA 4.4: Janela para definição dos componentes3
FIGURA 4.5: Janela para especificação do método termodinâmico34
FIGURA 4.6: Janela para especificação das correntes34
FIGURA 4.7: Janela para especificação da estequiometria e cinética da reação35

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7 LISTA DE TABELAS

TABELA 2.1: Ícones e recursos do reator CSTR27
TABELA 6.1: Cronograma de desenvolvimento do trabalho de conclusão de curso I37

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8 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

CSTR – Reator Contínuo de Tanque Agitado PFR – Reator Tubular de Fluxo Pistonado UNIPAMPA – Universidade Federal do Pampa

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9 LISTA DE SIMBOLOS a- Coeficiente Estequiométrico do Reagente A

A – Fator de Freqüência ou Fator Pré-exponencial b- Coeficiente Estequiométrico do Reagente B

AC– Concentração do Reagente A

0AC– Concentração do Inicial do Reagente A

BC– Concentração do Reagente B AdC –Diferencial de Concentração

AdX– Diferencial de Conversão e – Exponencial

Ea – Energia de Ativação

AF – Vazão Molar da Espécie A

0AF – Vazão Molar de Entrada da Espécie A k – Constante de Velocidade de Reação

AN – Número de mols da Espécie A p- Coeficiente Estequiométrico do Produto P

Ap – Pressão Parcial do Componente A

Bp – Pressão Parcial do Componente B R – Constante dos Gases Ideais

RCSTR – Ícone do Simulador para um Reator Continuo de Tanque Agitado RPlug – Ícone do Simulador para um Reator Tubular de Fluxo Pistonado T – Temperatura V – Volume do Reator

0v – Vazão Volumétrica de Entrada X– Conversão

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