O Projeto de Reatores

Sumário[pic 1]

1)        Introdução        2

2)        Reação de Segunda Ordem        2

3)        Equações para Reatores CSTR e PFR        3

3.1) CSTR        3

3.2) PFR        4

4)        Reatores em Série        4

4.1) Combinações de CSTRs e PFRs em Série        4

5)        Estudo de Caso        6

6)        Seletividade        9

7)        Rendimento        10

8)        Conclusão        11

Referências        11

1. Introdução

        O reator CSTR é modelado como sendo bem misturado, de modo que não haja variações espaciais no reator. Uma vez que o reator é perfeitamente misturado, a concentração na saída do reator é idêntica à composição dentro do reator, sendo a velocidade de reação avaliada nas condições de saída. O reator PFR é modelado como um reator tubular com fluido tendo um escoamento empistonado, ou seja, gradientes de concentração, de temperatura ou de velocidade de reação. À medida que os reagentes entram e escoam axialmente ao longo do reator, eles são consumidos e a conversão aumenta ao longo do comprimento do reator.  

        O problema em questão (estudo de caso) trata de uma reação de segunda ordem que ocorre em um reator CSTR, que pode ser modelado como dois sistemas diferentes de reatores. No primeiro sistema, um CSTR ideal é seguido por um PFR ideal; no segundo sistema, o PFR procede o CSTR. Será analisado a conversão em cada sistema e qual o melhor arranjo.

1. Reação de Segunda Ordem

        Nas reações químicas em geral, adotamos como base de cálculo uma espécie A, que é um dos reagentes que está sendo consumido devido à reação. A velocidade de consumo de A, -rA, depende da temperatura e da composição. Para muitas reações, essa velocidade pode ser expressa através do produto de uma constante de reação kA e uma função das concentrações (atividades) das várias espécies envolvidas na reação:

[pic 2]

        A equação algébrica que relaciona -rA com as concentrações das espécies envolvidas na reação é chamada de expressão cinética ou lei de velocidade da reação. A velocidade específica de reação, kA, da mesma forma que -rA, sempre se refere a uma a uma espécie particular da reação que, normalmente, deve ser indicada por meio de um subscrito.

        A dependência da velocidade de reação, -rA, com as concentrações das espécies presentes, é quase sem nenhuma exceção determinada por observações experimentais. Embora a dependência funcional possa ser postulada a partir da teoria, os experimentos são necessários para confirmar a forma proposta. Uma das formas gerais mais comuns dessa dependência é o modelo de lei de potência. Nesse caso, a lei de velocidade é o produto das concentrações das espécies reagentes individuais, cada uma delas elevada a uma potência, como por exemplo:

[pic 3]

        Os expoentes das concentrações conduzem ao conceito de ordem de reação. A ordem de reação refere-se às potências as quais as concentrações são elevadas. Consequentemente, a lei de velocidade para uma reação de segunda ordem é apresentada a seguir:

[pic 4]

        Através do conhecimento da ordem da reação pode-se determinar a sua velocidade da seguinte maneira:

[pic 5]

[pic 6]

[pic 7]

[pic 8]

[pic 9]

1. Equações para Reatores CSTR e PFR

Para se obter as equações de Projeto para sistemas isotérmicos realiza-se os seguintes passos:

• Realizar o balanço molar global:     [pic 10]

              (10)[pic 11]

• Adequar a equação do balanço aos sistemas através das hipóteses pertinentes, assim vamos obter para os dois modelos de reatores a seguir.

3.1) CSTR

  (11)[pic 12]

  (12)[pic 13]

Substituir (12) em (11):

  (13)[pic 14]

[pic 15]

3.2) PFR

[pic 16]

  (15)[pic 17]

          Substituir (12) em (15):

  (16)[pic 18]

  (17)[pic 19]

[pic 20]

1. Reatores em Série

        Reatores associados em série são geralmente conectados de tal forma que a corrente de saída de um reator seja a corrente de alimentação para outro reator. Quando usado esse arranjo, frequentemente é possível acelerar os cálculos, definindo conversão em termos de um ponto a vazante em vez da conversão em relação a qualquer um dos reatores. Assim, a conversão X é o número total de mols de A que reagiram até aquele ponto por mol de A alimentado no primeiro reator. Para reatores em série temos:

[pic 21]

        Contudo, deve-se ter cuidado, pois essa definição só pode ser usada para sistemas que não houver correntes laterais alimentadas ou retiradas, ou seja, quando a corrente de alimentação entrar somente no primeiro reator da série. Logo, a vazão molar num certo ponto i é igual aos mols de A alimentados no primeiro reator menos os mols de A reagidos até o ponto i:

[pic 22]

        Existem três tipos de arranjos para reatores em série: Dois CSTRs, dois PFRs e uma combinação de PFRs e CSTRs. E o nosso estudo de caso será relacionado a esse último caso, ou seja, a associação de reatores contínuos de tipos diferentes.