Projeto de Reatores Isotérmicos com Reações Múltiplas em Fase Gasosa
Por: reatores2019 • 21/11/2019 • Trabalho acadêmico • 3.409 Palavras (14 Páginas) • 331 Visualizações
Instituto Mauá de Tecnologia
EQM202 – Cálculo de Reatores
Projeto de Reatores Isotérmicos com Reações Múltiplas em Fase Gasosa
Lucas Hypólito R.A: 13.01437-4
Marina Maio Grohmann R.A: 13.04348-0
Nicole Ré R.A: 13.00663-0
Sergio Gasparini R.A: 13.00284-8
Tatiana Noya R.A: 13.03911-3
São Caetano do Sul
2016
Sumário
Resumo 3
1. Introdução 3
2. Revisão Bibliográfica 3
2.1. Artigo “Purificação catalítica de gases provenientes da indústria petroquímica contendo acrilonitrila por zeolitos contendo metais” 3
3. Materiais e Métodos 5
3.1. Fundamentos Teóricos 5
3.1.1. Constantes e Parâmetros 5
3.1.2. Equações Utilizadas 6
3.1.3. Memorial do Cálculo 8
4. Resultados e Discussão 10
4.1. Reator com B difundindo-se através da membrana 10
4.2. Reator com C difundindo-se através da membrana 10
4.3. Reator PBR 10
4.4. Reator de fluxo contínuo (CSTR) 10
4.5. Reator em batelada sem tempo de parada 11
4.6. Reator em batelada com tempo de parada 11
4.7. Análise de sensibilidade 11
5. Conclusões 16
6. Referências Bibliográficas 16
Resumo
Para o estudo do processo com reações múltiplas, de um componente que se difunde para fora do reator através de uma membrana, primeiramente foi feita uma pesquisa na literatura a fim de compreender o funcionamento do reator quando inserida a membrana. A partir da realização deste estudo, foi possível o dimensionamento do modelo cinético do reator PBR, com a intenção de se obter as condições do reator quando operado com uma certa massa de catalisador. Também foram estudados os reatores CSTR e BSTR em condições similares ao PBR.
Assim, foi preciso equacionar os respectivos balanços molares, as leis de velocidade de cada composto e analisar a estequiometria das reações para enfim modelar cada um dos reatores. Através da utilização do software Microsoft Excel, foi empregado o método de Euler para projetar o reator PBR e BSTR, a função Solver para projetar o reator CSTR. Foram plotados gráficos para melhor visualização do comportamento de cada reator de acordo com suas condições, facilitando a comparação entre eles.
Posteriormente, foi feita uma análise de sensibilidade paramétrica no reator PBR, sendo analisado o seu comportamento quando alterada a constante de velocidade da reação e a constante de equilíbrio.
1. Introdução
Este trabalho visa o estudo de reatores, com e sem membrana, operando isotermicamente, tendo três reações acontecendo em paralelo. Como objetivos, dimensionar reatores PBR, BSTR e CSTR para as condições propostas no enunciado do exercício P6-21 (4ª edição – Fogler, H.S. Elementos de Engenharia das Reações Químicas. LTC, Rio de Janeiro, 2009), e avaliar seus funcionamentos e interpretar a sensibilidade dos parâmetros de processo. Além disso, foram realizadas análises de artigos científicos com base no tema “projeto de reatores catalíticos heterogêneos” relacionados à indústria petroquímica.
2. Revisão Bibliográfica
Artigo “Purificação catalítica de gases provenientes da indústria petroquímica contendo acrilonitrila por zeolitos contendo metais”
Acrilonitrila, acetonitrila e cianeto de hidrogênio são gases tóxicos e perigosos, que são liberados na produção de vários polímeros. Ao queimar os referidos gases, poluição secundaria é resultante visto que o produto dessa queima são . Isso além do alto gasto energético nessa queima. A combustão Catalítica Seletiva (SCC) gasta menos energia e tem produtos muito mais amigáveis ao meio ambiente, como o e . Para essa reação acontecer, um bom catalisador é necessário e não faltam esforços para encontrar a substancia que se adeque melhor a essa função. Metais nobres foram tentados para trabalhar como catalisadores, mas produtos indesejados e o alto custo tornaram o seu uso não ideal. Enquanto o zeolito com cobre exibiu comportamento ideal em algumas funções como catalisador. Logo o experimento será a comparação de ação dos seguintes catalisadores: Cu/, Co/, Fe/, Pt/SBA-15, e Cu/KIT-6, Cu/SBA-16.[pic 1][pic 2][pic 3]
Os zeólitos (material contendo poros de 2 a 50 nm de diâmetro) Pt/SBA-15, e Cu/KIT-6, Cu/SBA-16 foram preparados pelo método de impregnação de humidade incipiente convencional. A preparação continua como a seguir: (I) As substâncias SBA-15, SBA-16 e KIT-6 puras foram impregnadas com uma solução de água deionizada. (II) Uma quantidade de nitrito metálico foi adicionado na solução. (III) A mistura foi transferida para um evaporador a vácuo para eliminar o solvente. (IV) O resíduo foi seco a 110ºC por 2 horas e depois calcificado a 550ºC por 5 horas para obter o produto final.
Diversos testes foram realizados para definir qual desses possíveis catalisadores terá o melhor desempenho na reação supracitada. Dentre os testes realizados temos testes para definir as características físico-quimicas dos compostos, testes de quais íons dos metais utilizados estão presentes nos compostos, testes de atividade dos gases que sofrerão a combustão catalítica e analise da relação entre as propriedades físico-quimicas e a performance catalítica. O primeiro experimento a ser citado foi a difração por raio-x, experimento utilizado para definir a estrutura molecular e os resultados foram de que são estruturas hexagonais em todos os casos, com acúmulos de Pt de diâmetro 7,2nm. A fisissorção de foi realizada para definir dentre todos os catalisadores aplicados aos zeolitos testados qual tinha a melhor adsorção e o resultado foi dentro do esperado, quando os metais eram adicionados ao zeolito alguns poros eram obstruídos diminuindo a área de adsorção, isso além do aumento na espessura da parede e diminuição no diâmetro médio dos poros. O uso do microscópio eletrônico de transmissão deve-se a análise da dispersão do catalisador sobre o zeolito, em apenas um caso (Pt) foram encontrados acúmulos de catalisador em alguns pontos. O estudo das propriedades redox e a espectroscopia fotoelétrica de raio-x dos catalisadores são necessários para definir quais são os íons dos metais aplicados que estão presentes e atuarão realmente na catalise, nas amostras de cobre os íons e foram encontrados, nas amostras de cobalto os íons encontrados foram o e , nas amostras de ferro foram encontrados os íons e , enquanto nas amostras de platina o oxido e o foram achados nas análises. O teste de atividade de reação serviu para definir quais catalisadores tinham os melhores resultados em diversas situações, como a conversão de (acronitrila), formação de , , , , , e . O melhor resultado em relação a conversão de acronitrila foi quando o Pt foi usado como catalisador, ele consegui a conversão de 100% na menor temperatura. Nas substancias formadas, os gases que são desejados são o e e todos os outros são indesejados. O metal utilizado que teve uma maior formação de produtos desejados enquanto minimizava a formação dos produtos indesejados foi o Cu/SBA-15. Usando o DRIFTS para fazer o estudo dos mecanismos de reação chegaram a resultados onde o Cu/SBA-15 tem 5 etapas diferentes enquanto o Fe/SBA-15 tem uma exclusiva que permite a formação de . O estudo da correlação entre as características físico-químicas e os resultados catalíticos trouxe novamente fenômenos conhecidos como: os acúmulos de Pt que realmente eram as espécies ativas, assim como os cátions nos componentes dos zeolitos (Cu, Fe, Co)/SBA-15. [pic 4][pic 5][pic 6][pic 7][pic 8][pic 9][pic 10][pic 11][pic 12][pic 13][pic 14][pic 15][pic 16][pic 17][pic 18][pic 19][pic 20][pic 21][pic 22][pic 23]
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