Trabalho sobre reatores químicos

1. Trabalho realizado por:
André Rocha nº2
João Maia nº6
Maria Inês nº7
*Reatores
químicos

2.  Os reatores químicos são equipamentos que
realizam reações em escala industrial para
transformação de matérias primas em produtos.
 Esta definição exclui os equipamentos e
vidraçaria de laboratórios que realizam reações
como parte de procedimentos analíticos e
sintéticos ou como parte de determinações de
propriedades físico-química de materiais.
O que são reatores
químicos?

3. Transferências de energia podem vir na forma de aquecimento ou
resfriamento.
Reato
res
quími
cos
Equipamento onde ocorrem reações químicas, transferências de
massa e calor, isto é, onde determinadas espécies moleculares são
transformadas noutras espécies moleculares
O fluido reacional pode ser aquecido ou arrefecido e pode também
trocar a massa e /ou calor com uma fase estagnante.
Constitui assim o “coração “ das unidades de fabrico de produtos químicos,
encontrando-se quer em refinarias, complexos de metalúrigicos ou fábricas de
produtos químicos.
Fase estagnante: fase queparou,não tem
movimentono reator
Fase estagnante

4. Especiais:
Próprios para um determinado processo (não
ideais)
Padronizados:
Com finalidade multipropósito, desde que os
produtos tenham alguma catarerística em comum.
ex.:viscosidade,faixapH,temperatura,pressão,
etc…(ideais)
Existem vários tipos de reatores químicos e várias formas de classificá-los.

5. Reatoresideias
São aqueles para os quais se desenvolve um
modelo matemático específico a partir de
condições pré- estabelecidas e que aplicado
às condições reais se ajusta adequadamente
Reatoresnãoideias:
São aqueles para os quais é necessário um
tratamento matemático específico em
função de peculiaridades de reação e / ou
reator

6. •Exemplos
Tanques (Fermentação de cerveja)
Tubulações (Divisão, quebra de hidrocarbonetos)
Altos-fornos (Redução de minério de ferro)

7. *Ambos os reatores (tubular e tanque) podem operar em modo descontínuo
ou contínuo.
*Normalmente, a operação de um reator é feita em regime permanente sendo
que uma operação transitória ocorre quando, por exemplo, existe alguma
manutenção no equipamento e este deve ser colocado em operação de regime
novamente.
*Os reatores podem acomodar sólidos (reagentes, catalisadores, materiais
inertes), mas em geral os reagentes são tipicamente líquidos e gases.

8. Tanques
Tubulares
Reatores com fornos

9. Dentro das diversas características duma transformação química, tomemos, para servir de
base à nossa classificação, a mais evidente à escala macroscópica, a natureza das fases em
presença.
Deste modo uma primeira distinção entre os diversos casos será:
Sistemasmonofásicosou homogéneos
O meio reaccional é constituído por uma única fase, gasosa ou uma fase líquida.
Neste caso os reactores são ditos do tipo homogéneo.
Sistemaspolifásicosouheterogéneos
Podem ser considerados inúmeras combinações:
Gás + líquido; Líquido + líquido; Gás + sólido; Líquido + sólido; Gás + líquido + sólido
ou de uma forma mais geral:
Fluidos + sólidos

10.  Os reatores também podem ser classificados quanto a natureza das
fases participantes como reatores homogéneos de meios totalmente
gasosos ou líquidos, e reatores heterogéneos, com os reagentes
estando nas diversas combinaçoes de fases possíveis:
gás-líquido, gás-sólido, líquido-sólido e gás-líquido-sólido.
 Reatores de reações químicas sólido-sólido são relativamente raros.

11. Modo de operação
Contínuos
Descontínuos
Semi descontínuos
Tipo de reação
Catalíticos
Não catalíticos
Geometria do reator
Homogéneo
Não homogéneo (heterogéneo)
Tanque perfeitamente agitado
Tubular
Contínuos: CSTR
Descontínuos
Semi descontínuos
Fase homogénea
Leito fixo
Leito móvel
Fases da mistura

12. É um processo no qual há entrada de
massa, mas o produto não é removido
durante a operação ou não havendo
entrada de massa e só remoção do produto.
Processo Contínuo
É um processo no qual a massa de
alimentação e os produtos fluem
continuamente enquanto dura o
processo.
Processo descontínuo (batelada)
É um processo no qual a massa não é
adicionada nem removida do processo durante
a sua operação.
Processo semi-
contínuo (ou sem -
descontínuo)

13. Processo Contínuo

14. Processo descontínuo (batelada)

15. Processo semi-contínuo
(ou sem - descontínuo)

16. Reatores catalíticos de leito fixo
(a)Reator multitubular
(b) um tubo com catalisador

17.  O reator de leito fluidizado é semelhante ao
CSTR no sentido de que seu conteúdo,
embora heterogêneo, é bem misturado,
resultando em uma distribuição homogênea
de temperatura através do leito.
 Pode ser catalítico ou não-catalítico

19. Tanque agitado Tanque agitado

20. Para
se
Transferência
de Calor e de
Massa
Propriedades dos fluidos e
dos materiais
termodinâmicos
(entalpia das
reações,
capacidades
caloríficas)
Leis cinéticas das reações
envolvidas
os reatores químicos, é necessário dispor de
uma série de informação essencial, ou seja, de
Parâmetros relacionados com:
Compreender,
modelar,
optimizar,
dimensionar
controlar

21. 1. A parte principal é o reator onde ocorre a transformação de reagentes em
produtos.
Tem-se que ter em conta:
O mecanismo da reação,
Condições dos reagentes e das matérias primas (grau de pureza, composição, etc)
Condições de pressão e temperatura
Tipos de catalisadores
As etapas de produção de qualquer produto químico
podem ser divididas em 3 grandes grupos:

22. 2. Antes de entrarem no reator reagentes ou matérias-primas passam através de vários
equipamento, onde pressão, temperatura, composição e fase são ajustadas para que
sejam alcançadas as condições em que ocorrem as reações químicas, ou seja, são as
etapas de preparação da carga para o reator.
3. Os efluentes do reator são, em geral, uma mistura de produtos, contaminantes
apropriados para se obter o(s) produtos (s) na pureza adequada ao mercado.

23. “A cinética química e o projeto de reatores
estão no coração de quase todos os produtos
químicos Industriais”
Fogler
Matérias primas
Produtos
Eficiência do processo:
• Rendimento
• Conversão
• Seletividade, etc
Reator

24. Os reatores químicos têm como principal objetivo
converter, em condições controladas, reagentes em
produtos.
A fase de projeto é uma etapa determinante e pode
envolver uma série de questões mais ou menos complexas,
tais como:

25. Projeto
do reator
Projeto mecânico
Requisitos de
manutenção
Custos de investimento
e produção
Projeto mecânico
Condições de
transferência de calor
Sistema de controlo e
segunrança
Tipo de reatores
Propriedades de
reagentes e produtos
Condições de pressão e
temperatura

26.  A modelação matemática deste tipos de sistemas, permite ter
capacidade de previsão, bem como optimizar o seu funcionamento no
sentido de obter rendimento máximo.
 Nos modelos matemáticos, para além da reação química, são também
tidos em conta os mecanismos de transferência de massa e calor,
sendo possível estudar o comportamento estacionário ou dinâmico do
reator.

27. Relação entre a modelação matemática de reatores químicos e aspetos relevantes na
engenharia da reação química.

28. A classificação primária dos reatores químicos pode ser feita com base na forma de energia
usada na realização da reação. Por esse critério eles podem ser:
Termoquímicos – a energia é fornecida ou retirada em forma de calor;
Eletroquímicos – a reação decorre da passagem de corrente elétrica na mistura;
Fotoquímicos – a reação ocorre devido à energia fotónica emitida por lâmpadas e
Bioquímicos – a reação utiliza a energia química proveniente do catabolismo celular

29. Reatores bioquímicos
 Os reatores bioquímicos estão ligados a biotecnologia que utiliza a ação
de células vivas para realizar a transformação desejada. Desta forma são
produzidos ácidos orgânicos, bebidas, antibióticos, anticorpos
monoclonais, etc.
 As células vivas podem ser microrganismos ou células de tecidos vivos.
 As dornas de fermentação usadas na produção de etanol são exemplos
de reatores bioquímicos.

30. Eletroquímico
s Os reatores eletroquímicos normalmente realizam reações com energia
livre desfavorável.
 A Monsanto, por exemplo, fabrica a adiponitrila a partir da
acrilonitrila por via eletroquímica.
 A fabricação do alumínio a partir da alumina é outro exemplo.

31. Reatores fotoquímicos
 Os reatores fotoquímicos são aqueles que realizam reações usando a
energia fotônica emitida por lâmpadas especiais. Por exemplo, a
produção do BHC pela cloração do benzeno pode ser feita em reatores
fotoquímicos.
Reatores
que usam a
luz solar

32. Os reatores termoquímicos são, de longe, os mais comuns nas indústrias
químicas e os mais estudados nos cursos de engenharia química. Estão nesta
categoria os polimerizadores, os reatores encontrados nas refinarias como os
craqueadores térmico e catalítico, reformador catalítico, etc.
Reatores termoquímicos

33. Em qualquer processo industrial (os processos industriais de natureza
química não constituem excepção), pretende-se produzir, com o máximo
de rentabilidade, um dado produto (ou uma gama de produtos), a partir
de um dado conjunto de matérias-primas.

34. Tanques que contém um ou mais
sistemas de agitação e troca de calor,
capaz de aquecer ou arrefecer o líquido,
onde a agitação se encarrega de
misturar todos ou vários componentes
que fazem parte do produto e
uniformizar a temperatura.
Tanque
perfeitamente
agitado

35. Reatores Bϋchi
Reatores de vidro e aço vitrificado.
Usados no laboratório de farmoquímica.
Reatores de pressão, hidrogenadores.

36. Embora os reatores catalíticos sejam frequentemente implementados como reatores
de fluxo em pistão, a sua análise requer tratamento mais complexo.
A taxa de uma reação catalítica é proporcional à quantidade de catalisador com os
quais os reagentes entram em contato.
O comportamento do catalisador é também algo a ser considerado. Particularmente
em processos petroquímicos a alta temperatura, catalisadores são desativados por
sintetização, codificação e processos similares.
Um exemplo comum de uma reação catalítica é a conversão catalítica posterior a
um motor de combustão interna, para os gases de exaustão.

37.  Na maior parte dos processos que utilizam catalisadores sólidos são
usados reatores catalíticos de leito fixo FBR (Fixed Bed Reactores).
 A aplicação industrial deste tipo de reatores é vasta, podendo ser
encontrados na industria química, na base indústria
petroquímica, refinação de petróleo.
 Actualmente, os reactores de leito fixo são utilizados principalmente em
unidades de grande capacidade, sobretudo em reactores do tipo
multitubular.

38. Os reatores catalíticos requerem tratamento separado.
As variáveis chave de processo incluem:
Tempo de residência (τ, letra grega tau minúscula)
Volume (V)
Temperatura (T)
Pressão (P)
Concentrações de espécies químicas (C1, C2, C3, ... Cn)
Coeficientes de transferência de calor (h, U)