Trabalho de Reatores

Sumário

Resumo

O projeto foi baseado no exercício 8-32 do livro ‘Elementos de engenharia das reações químicas’ (FOGLER, H.Scott, Terceira edição), o qual foram estudadas as diversas influências que podem ocorrer em uma reação múltipla no comportamento dos reatores CSTR, BSTR, PFR e PBR a partir de uma análise de sensibilidade de variáveis operacionais (razão de alimentação e temperaturas iniciais) e parâmetros do modelo matemático do reator (cinéticos, termodinâmicos e com transferência de calor). Essa análise foi realizada em quatro condições de operação dos reatores: isotérmico, não isotérmico, adiabático e não adiabático, sendo alguns analisados em estado estacionário e outro no estado não estacionário, tendo como objetivo obter uma vazão de produto específica. Além de uma comparação entre a operação no estado gasoso e líquido. Para que o projeto fosse realizado, foram utilizados recursos do software ‘Excel’ (Solver, Cálculo Iterativo, Plotagem de Gráficos) juntamente com os modelos matemáticos pré-definidos na literatura. Para que fosse atendida a condição desejada da produção molar da substância ‘B’, foram testadas variações nos parâmetros de entrada para cada um dos reatores em questão, com isso, foi possível determinar uma condição específica de operação para cada reator. Os resultados envolvidos no projeto puderam ser comparados através dos volumes e temperaturas em diversas condições de operação.

Introdução

A realização do projeto foi motivada pela análise de diversos tipos e condições de operações de reatores utilizados na indústria química e alimentícia que foram estudados durante o curso, assim promovendo a aproximação do ambiente acadêmico com o profissional.

O objetivo geral do projeto em questão é a determinação da melhor condição de operação de diferentes tipos de reatores, para a obtenção de uma determinada vazão molar do produto desejado. Para isso foi feita a análise a partir do dimensionamento dos reatores CSTR, BSTR, PFR e PBR operando em diferentes condições, o qual o trabalho foi subdividido:

- Determinação da produção de 100 mols/min do composto B. A partir de uma análise da temperatura ideal para a condição ser atendida em dois reatores CSTR, o primeiro com as condições de “operação contínua”, “não adiabático” e estado “isotérmico”, o segundo em um processo “adiabático” e “não isotérmico”.

- Determinação da temperatura para que a mesma produção anterior seja satisfeita. A partir de uma análise de sensibilidade por meio da variação do tempo, com condições de processo “descontínuo”, em regime “transiente” e estados “adiabático” e “não isotérmico”, utilizando um reator BSTR.

- Determinação da temperatura, pressão e volume do reator no processo para que a condição de produção seja satisfeita. A partir de uma análise de sensibilidade por meio da variação da massa de catalisador, com condições de processo “contínuo”, em regime “estacionário”, estado “não adiabático” e “não isotérmico” e com “perda de carga”, utilizando um reator PBR.

- Comparação das temperaturas e do comportamento da produção de B que satisfazem a produção diária desejada, entre um reator CSTR e PFR em fase líquida, agora com condições de processo “contínuo”, em regime “estacionário”, estado “não adiabático” e “não isotérmico”.

3. Materiais e Métodos

3.1. Equações e Hipóteses envolvidas

As reações múltiplas que ocorrem nos reatores, em fase líquida, estão apresentadas abaixo, juntamente com suas respectivas constante de velocidade:

A □(→┴k1A ) B □(→┴k2B ) C

B □(→┴k3B ) D

k_1A=0,3 e^7000(1/300-1/T) min^(-1) Equação (I)

k_2B=0,03 e^7000(1/300-1/T) min^(-1) Equação (II)

k_3B=0,1 e^4000(1/300-1/T) 〖dm^3.mol^(-1).min〗^(-1) Equação (III)

Como este processo envolve reações múltiplas, é necessário fazer o cálculo das velocidades globais para cada composto, exibidas a seguir:

rA_global= r_1A= -k_1A.C_A Equação (IV)

rB_global= r_1A+ r_1B+r_2B= k_1A.C_A- k_2B.C_B- k_3B.〖C_B〗^2 Equação (V)

rC_global= r_1B= k_2B.C_B Equação (VI)

rD_global= r_3D= k_3D.〖C_B〗^2 Equação (VII)

Equações auxiliares utilizadas para realizar o balanço molar de cada reator em questão:

CSTR:

C_i= F_i/v_0 Equação (VIII)

τ=V/v_0 Equação (IX)

Para o composto A que é alimentado:

F(a)=[V.(-r_A )]-F_A0+F_A Equação (X)

Para os demais compostos:

F(i)=[V.(-r_i )]+F_i Equação (XI)

BSTR:

N_i=C_i.V Equação (XII)

PBR fase gasosa:

Ci=C_A0.(F_i/F_T ).(T_0/T).(P/P_0 ) Equação (XIII)

Estas equações então são usadas nos balanços molares característicos de cada reator para o seu dimensionamento.

CSTR:

V= 〖Fa〗_(0 -Fa)/〖Fa〗_0 Equação (XIV)

BSTR:

dCi/dt=ri