A Engenharia de Reações Químicas

Engenharia de Reações QuímicasPQI 3305

Projeto de um Reator Químico

Trabalho final de PQI3305

[pic 1]

 

Amanda Giannini	11258436
Ava Yamaguchi	11368404
Leonardo Mazzero Galvani	10772095
Mariana Colombo Nunes	11258530
Sofia Diniz	11258252

1. Introdução

I) Enunciado do problema

Recebemos informações do Departamento Comercial de que existem novas possibilidades no mercado para produção de 70000 toneladas/ano de acetato de vinila. Uma vez que a empresa dispõe de ácido acético, etileno e oxigênio (a 150 °C e 128 psia), o Departamento de Engenharia solicita o dimensionamento de um reator tipo PBR para essa finalidade, para fração convertida de ácido acético igual a 30%. A empresa pretende usar tubos de liga especial, cujo diâmetro pode ser de 1½ ou 2 polegadas.

Por razões de segurança, a fração molar de oxigênio na alimentação do reator deve ser menor que 8% (limite de explosividade). Para isso, pode-se operar com excesso de etileno na alimentação, pois esse composto pode ser separado em outras partes do processo e reciclado ao reator.

Transcrevemos a seguir as informações referentes às propriedades do catalisador para o processo em fase gasosa. Duas reações irreversíveis devem ser consideradas.  

Reação Principal:

[pic 2]

(1)

Reação Paralela:

[pic 3]

(2)

No processo,   e água são subprodutos. No desenvolvimento do catalisador, o fornecedor fez estudos cinéticos em escala de laboratório, que indicaram que as reações são altamente exotérmicas, com os seguintes valores de calor de reação em condições padrão (25°C, 1 atm):[pic 4]

• Reação 1: -42,1 kcal/mol de acetato de vinila formado;
• Reação 2: -316 kcal/mol de etileno consumido.

O catalisador disponível comercialmente é à base de paládio (2%) suportado em sílica, na forma de “pellets” de ¼ de polegada. A densidade aparente em leito fixo, medida em laboratório é de 30 lb/ft^3; fração de vazios de 0,5. Ensaios em laboratório com esse catalisador forneceram as seguintes expressões, ajustadas aos dados experimentais, para as taxas das reações 1 e 2:

[pic 5]

[pic 6]

[pic 7]

[pic 8]

Unidades: T em K; p (pressão parcial da espécie química) em psia.

Considerar que o calor é removido do reator pela geração de vapor saturado a 133 °C. Supor que o calor específico das espécies químicas varia linearmente com a temperatura e que o coeficiente global de troca de calor é de .[pic 9]

1) Apresente as equações dos balanços e equações complementares.

2) Faça simulações em diferentes condições e apresente gráficos dos perfis de concentração, seletividade do acetato de vinila, temperatura e pressão ao longo do comprimento dos tubos do reator;

3) Discuta os resultados obtidos.

4) Estime as dimensões do reator.

II) Caracterização do projeto

O projeto realizado se trata de um estudo sobre o funcionamento de uma reator de produção de acetato de vinila, um composto de extrema relevância para a indústria química. Uma das maneiras de se produzir esse composto é por meio da utilziação de ácido acético e etileno, caso que foi o objeto de estudo deste material.

Com os dados fornecidos e as devidas iterações, foi montado um código utilizando o SciLab para o dimensionamento do reator. Em seguida, os gráficos dos perfis de concentração, seletividade do acetato de vinila, temperatura e pressão ao longo do comprimento dos tubos do reator. Com os dados obtidos, conseguimos concluir o dimensionamento do reator.

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2. Resultado do projeto

De acordo com a proposta do enunciado, foi construído um compilado de todos os resultados encontrados a partir do programa construído. Os valores se encontram na tabela abaixo:

Propriedades do reator	[Unidade]	Resultado
Temperatura final	[K]
Pressão final	[psia]
Perda de pressão	[psia]
Número de tubos	[ ]
Diâmetro do tubo	[in]
Comprimento dos tubos	[ft]
Massa de catalisador por tubo	[lb]
Proporcionalidade	[ ]
Vazão molar inicial de Ácido Acético	[lbmol/min]
Vazão molar inicial de Etileno	[lbmol/min]
Vazão molar inicial de Oxigênio	[lbmol/min]

Com os valores acima, concluímos que o arranjo -------- é a melhor alternativa para o reator. Além disso, é necessária a conexão desse reator com um separador para retirar o oxigênio. O fluido utilizado no trocador de calor foi a água, com uma vazão de ------------.

Em seguida, serão detalhadas as metodologias utilizadas para a construção do código, e o passo-a-passo da resolução.

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3. Equações dos balanços e equações complementares

I) Balanço de massa

A forma generalizada integral do balanço molar para uma determinada espécie química i em um sistema reacional é:

[pic 10]

Em que:

•  é a vazão molar da espécie i na corrente de entrada;[pic 11]
•  é a vazão molar da espécie i na corrente de saída;[pic 12]
•  é o termo relativo ao consumo ou à produção da espécie i integrado no volume do reator;[pic 13]
•  é o termo relativo ao acúmulo da espécie i no tempo. [pic 14]

Parte-se, então, à particularização deste balanço a um reator do tipo PBR (ou reator catalítico de leito com recheio ), cujo discretização pode ser visualizada a seguir:

[pic 15][pic 16][pic 17]