Reator químico

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Reator de gás gigante da refinaria de gás Yadavaran, que é usado para adoçamento de gás , projetado e fabricado pela AzarAb Industries Corporation

Um reator químico é um volume fechado no qual ocorre uma reação química . [1] [2] [3] [4] Em engenharia química , geralmente é entendido como um recipiente de processo usado para realizar uma reação química, [5] que é uma das operações unitárias clássicas na análise de processos químicos. O projeto de um reator químico lida com vários aspectos da engenharia química . Engenheiros químicos projetam reatores para maximizar o valor presente líquido para uma determinada reação. Os projetistas garantem que a reação prossiga com a mais alta eficiência em direção ao produto de saída desejado, produzindo o mais altorendimento do produto, exigindo a menor quantidade de dinheiro para comprar e operar. As despesas operacionais normais incluem entrada de energia, remoção de energia, custos de matéria-prima , mão de obra, etc. As mudanças de energia podem vir na forma de aquecimento ou resfriamento, bombeamento para aumentar a pressão, perda de pressão por atrito ou agitação.

A engenharia de reações químicas é o ramo da engenharia química que lida com reatores químicos e seu projeto, especialmente pela aplicação da cinética química em sistemas industriais.

Visão geral

Vista em corte de um reator químico de tanque agitado com uma camisa de resfriamento
Reator químico com meias bobinas enroladas em torno dele

Os tipos básicos mais comuns de reatores químicos são tanques (onde os reagentes se misturam em todo o volume) e tubos ou tubos (para reatores de fluxo laminar e reatores de fluxo plug )

Ambos os tipos podem ser usados ​​como reatores contínuos ou reatores em batelada, e qualquer um pode acomodar um ou mais sólidos ( reagentes , catalisadores ou materiais inertes), mas os reagentes e produtos são tipicamente fluidos (líquidos ou gases). Reatores em processos contínuos são normalmente operados em estado estacionário , enquanto reatores em processos descontínuos são necessariamente operados em estado transitório . Quando um reator é colocado em operação, seja pela primeira vez ou após um desligamento, ele está em um estado transitório e as principais variáveis ​​do processo mudam com o tempo.

Existem três modelos idealizados usados ​​para estimar as variáveis ​​de processo mais importantes de diferentes reatores químicos:

Muitos reatores do mundo real podem ser modelados como uma combinação desses tipos básicos.

As principais variáveis ​​do processo incluem:

  • Tempo de residência (τ, tau grego minúsculo)
  • Volume (V)
  • Temperatura (T)
  • Pressão (P)
  • Concentrações de espécies químicas (C 1 , C 2 , C 3 , ... C n )
  • Coeficientes de transferência de calor (h, U)

Um reator tubular muitas vezes pode ser um leito empacotado . Neste caso, o tubo ou canal contém partículas ou pellets, geralmente um catalisador sólido . [6] Os reagentes, em fase líquida ou gasosa, são bombeados através do leito catalítico. [7] Um reator químico também pode ser um leito fluidizado ; veja Reator de leito fluidizado .

As reações químicas que ocorrem em um reator podem ser exotérmicas , ou seja, liberar calor, ou endotérmicas , ou seja, absorver calor. Um reator tanque pode ter uma camisa de resfriamento ou aquecimento ou bobinas de resfriamento ou aquecimento (tubos) enroladas na parte externa da parede do vaso para resfriar ou aquecer o conteúdo, enquanto os reatores tubulares podem ser projetados como trocadores de calor se a reação for fortemente exotérmica , ou como fornos se a reação for fortemente endotérmica . [8]

Tipos

Reator em lote

O tipo mais simples de reator é um reator em lote. Os materiais são carregados em um reator descontínuo e a reação prossegue com o tempo. Um reator em batelada não atinge um estado estacionário, e o controle de temperatura, pressão e volume é frequentemente necessário. Muitos reatores em lote, portanto, têm portas para sensores e entrada e saída de material. Os reatores de lote são normalmente usados ​​na produção em pequena escala e reações com materiais biológicos, como na fabricação de cerveja, polpação e produção de enzimas. Um exemplo de um reator de batelada é um reator de pressão .

CSTR (reator de tanque agitado contínuo)

Verificando a condição dentro do caso de um reator de tanque agitado contínuo (CSTR). As lâminas do impulsor (ou agitador) no eixo auxiliam na mistura . O defletor na parte inferior da imagem também ajuda na mixagem.

Em um CSTR, um ou mais reagentes fluidos são introduzidos em um reator tanque que é tipicamente agitado com um impulsor para garantir a mistura adequada dos reagentes enquanto o efluente do reator é removido. A divisão do volume do tanque pela vazão volumétrica média através do tanque fornece o espaço de tempo , ou o tempo necessário para processar um volume de fluido do reator. Usando cinética química , a porcentagem de conclusão esperada da reação pode ser calculada. Alguns aspectos importantes do CSTR:

  • No estado estacionário, a vazão mássica de entrada deve ser igual à vazão mássica de saída, caso contrário, o tanque transbordará ou ficará vazio (estado transitório). Enquanto o reator está em um estado transitório, a equação do modelo deve ser derivada dos balanços diferenciais de massa e energia.
  • A reação prossegue na taxa de reação associada à concentração final (saída), uma vez que a concentração é assumida como homogênea em todo o reator.
  • Muitas vezes, é economicamente vantajoso operar vários CSTRs em série. Isso permite, por exemplo, que o primeiro CSTR funcione com uma concentração de reagente mais alta e, portanto, uma taxa de reação mais alta. Nesses casos, os tamanhos dos reatores podem ser variados para minimizar o investimento total de capital necessário para implementar o processo.
  • Pode ser demonstrado que um número infinito de CSTRs infinitamente pequenos operando em série seria equivalente a um PFR. [9]

O comportamento de um CSTR é muitas vezes aproximado ou modelado pelo de um Reator Contínuo Idealmente Agitado (CISTR). Todos os cálculos realizados com CISTRs pressupõem uma mistura perfeita . Se o tempo de residência for 5-10 vezes o tempo de mistura, esta aproximação é considerada válida para fins de engenharia. O modelo CISTR é frequentemente usado para simplificar cálculos de engenharia e pode ser usado para descrever reatores de pesquisa. Na prática só pode ser abordado, particularmente em reatores de tamanho industrial em que o tempo de mistura pode ser muito grande.

Um reator de loop é um tipo híbrido de reator catalítico que se assemelha fisicamente a um reator tubular, mas opera como um CSTR. A mistura de reação é circulada em um loop de tubo, cercado por uma camisa para resfriamento ou aquecimento, e há um fluxo contínuo de material de partida e produto de saída.

PFR (reator de fluxo plug)

Diagrama simples que ilustra o modelo de reator de fluxo de plugue

Em um PFR, às vezes chamado de reator tubular contínuo (CTR), [10] um ou mais reagentes fluidos são bombeados através de um cano ou tubo. A reação química prossegue à medida que os reagentes percorrem o PFR. Nesse tipo de reator, a variação da taxa de reação cria um gradiente em relação à distância percorrida; na entrada do PFR a taxa é muito alta, mas à medida que as concentrações dos reagentes diminuem e a concentração do(s) produto(s) aumenta, a taxa de reação diminui. Alguns aspectos importantes do PFR:

  • O modelo de PFR idealizado não pressupõe mistura axial: qualquer elemento de fluido viajando através do reator não se mistura com fluido a montante ou a jusante dele, como implica o termo " plug flow ".
  • Os reagentes podem ser introduzidos no PFR em locais no reator que não sejam a entrada. Desta forma, uma maior eficiência pode ser obtida, ou o tamanho e o custo do PFR podem ser reduzidos.
  • Um PFR tem uma eficiência teórica maior do que um CSTR do mesmo volume. Ou seja, dado o mesmo espaço-tempo (ou tempo de residência), uma reação prosseguirá com uma porcentagem de conclusão mais alta em um PFR do que em um CSTR. Isso nem sempre é verdade para reações reversíveis.

Para a maioria das reações químicas de interesse industrial, é impossível que a reação prossiga até 100% de conclusão. A velocidade da reação diminui à medida que os reagentes são consumidos até o ponto em que o sistema atinge o equilíbrio dinâmico (nenhuma reação líquida ou mudança nas espécies químicas ocorre). O ponto de equilíbrio para a maioria dos sistemas está abaixo de 100% completo. Por esta razão, um processo de separação, como a destilação , geralmente segue um reator químico para separar quaisquer reagentes ou subprodutos restantes do produto desejado. Esses reagentes às vezes podem ser reutilizados no início do processo, como no processo Haber. Em alguns casos, reatores muito grandes seriam necessários para aproximar o equilíbrio, e os engenheiros químicos podem optar por separar a mistura parcialmente reagida e reciclar os reagentes restantes.

Sob condições de fluxo laminar , a suposição de fluxo em pistão é altamente imprecisa, pois o fluido que passa pelo centro do tubo se move muito mais rápido que o fluido na parede. O reator de defletores oscilatórios contínuos (COBR) atinge uma mistura completa pela combinação de oscilação de fluido e defletores de orifício, permitindo que o fluxo em pistão seja aproximado sob condições de fluxo laminar .

Reator semilote

Um reator semilote é operado com entradas e saídas contínuas e em lote. Um fermentador, por exemplo, é carregado com um lote de meio e micróbios que produz constantemente dióxido de carbono que deve ser removido continuamente. Da mesma forma, reagir um gás com um líquido geralmente é difícil, porque um grande volume de gás é necessário para reagir com uma massa igual de líquido. Para superar este problema, uma alimentação contínua de gás pode ser borbulhada através de um lote de um líquido. Em geral, na operação semilote, um reagente químico é carregado no reator e um segundo produto químico é adicionado lentamente (por exemplo, para evitar reações secundárias ).), ou um produto resultante de uma mudança de fase é continuamente removido, por exemplo, um gás formado pela reação, um sólido que precipita ou um produto hidrofóbico que se forma em uma solução aquosa.

Reator catalítico

Embora os reatores catalíticos sejam frequentemente implementados como reatores de fluxo em pistão, sua análise requer um tratamento mais complicado. A velocidade de uma reação catalítica é proporcional à quantidade de catalisador que os reagentes entram em contato, bem como a concentração dos reagentes. Com um catalisador de fase sólida e reagentes de fase fluida, isso é proporcional à área exposta, eficiência de difusão de reagentes e produtos e eficácia de mistura. A mistura perfeita geralmente não pode ser assumida. Além disso, uma via de reação catalítica geralmente ocorre em várias etapas com intermediários que estão quimicamente ligados ao catalisador; e como a ligação química ao catalisador também é uma reação química, pode afetar a cinética. As reações catalíticas geralmente exibem a chamada cinética falsificada, quando a cinética aparente difere da cinética química real devido aos efeitos de transporte físico.

O comportamento do catalisador também é uma consideração. Particularmente em processos petroquímicos de alta temperatura, os catalisadores são desativados por processos como sinterização , coqueamento e envenenamento .

Um exemplo comum de reator catalítico é o conversor catalítico que processa componentes tóxicos de escapamentos de automóveis. No entanto, a maioria dos reatores petroquímicos são catalíticos e são responsáveis ​​pela maior parte da produção química industrial, com exemplos de volume extremamente alto, incluindo ácido sulfúrico , amônia , reformato/ BTEX (benzeno, tolueno, etilbenzeno e xileno) e craqueamento catalítico fluido . Várias configurações são possíveis, veja Reator catalítico heterogêneo .

Referências

  1. ^ Pereira, Carmo J.; Leib, Tiberiu M. (2008). "Seção 19, Reatores". Manual do engenheiro químico de Perry (8ª ed.). Nova York: McGraw-Hill . pág. 4. ISBN 9780071542265. OCLC  191805887 .
  2. ^ Prud'homme, Roger (2010-07-15). Escoamentos de Fluidos Reativos . Springer Science+Business Media . pág. 109. ISBN 9780817646592.
  3. ^ Schmidt, Lanny D. (1998). A Engenharia de Reações Químicas . Nova York: Oxford University Press . ISBN 0195105885.
  4. ^ Levenspiel, Octave (janeiro de 1993). O Omnibook do Reator Químico . Livrarias Oregon St Univ. ISBN 0882461605.
  5. ^ Suresh, S.; Sundaramoorthy, S. (2014-12-18). Engenharia Química Verde: Uma Introdução à Catálise, Cinética e Processos Químicos . Imprensa CRC . pág. 67. ISBN 9781466558854.
  6. ^ Jakobsen, Hugo A. (2014-04-02). Modelagem de Reatores Químicos: Escoamentos Reativos Multifásicos . Springer Science+Business Media . pág. 1057. ISBN 9783319050928.
  7. ^ Foley, Alexandra (2014-08-15). "O que é um reator de leito embalado?" . COMSOL Multiphysics© . Arquivado a partir do original em 20/10/2016 . Recuperado 2016-10-19 .
  8. ^ Pavão, DG; Richardson, JF (2012-12-02). Engenharia Química, Volume 3: Reatores Químicos e Bioquímicos e Controle de Processos . Elsevier . pág. 8. ISBN 978-0080571546.
  9. ^ Ravi, R.; Vinu, R.; Gummadi, SN (2017-09-26). Engenharia Química de Coulson e Richardson: Volume 3A: Reatores Químicos e Bioquímicos e Engenharia de Reação . Butterworth-Heinemann . pág. 80. ISBN 9780081012239.
  10. ^ "Plug Flow Reactor|Vapourtec Ltd" . Vapourtec . Arquivado a partir do original em 20/10/2016 . Recuperado 2016-10-19 .