Dimensionamento de reatores com dados gráficos ou tabelados da velocidade de reação
Conteúdo da disciplina Tipos de reatores Balanço material em reatores Definições básicas Projeto de reatores ideais isotérmicos
Reações simples Reações múltiplas
Projeto de reatores ideais nãoisotérmicos
Mapa conceitual da disciplina
Conteúdo
Algoritmo Gráfico de Levenspiel Dimensionamento de CSTR e PFR Comparação de reatores contínuos
Reatores CSTR em série Reatores PFR em série Reatores CSTR-PFR em série
Entrada: Condições da alimentação e volume ou conversão desejada
1. Balanço molar
2. Lei de velocidade
Equação de balanço molar do reator: Batelada, PFR, PBR (eq. diferenciais), CSTR (algébrica) Função das concentrações: •Equação algébrica ou •Gráfico Fase líquida ou gasosa? Considerar: Variações de volume, vazão volumétrica, pressão. • Reações múltiplas? Calcular velocidade global •
3. Estequiometria
Definições
4. Combinar
Conversão, concentração, tempo espacial, etc. Combine e resolva
Dimensionamento de reatores com dados gráficos ou tabelados da velocidade de reação
Conhecidos dados de velocidade de reação experimental (ex. –rA vs. X) É útil plotar FA0 /(–rA) vs. X Gráfico de Levenspiel
FA0 -rA
Área do gráfico fornece o volume do reator sob condições idênticas aos dos experimentos do laboratório
CSTR V
F A0 X
r A sa ida
FA0
FA0 -rA
-rA,saida
X
Lembrar: área de retângulo
Exemplo
Exemplo 2-2 Fogler 4ª Ed.
A reação descrita pelos dados da tabela (AB) deve ocorrer em um CSTR. A espécie A entra no reator a uma vazão molar de 0,4 mol/s. a) Usando os dados da tabela calcule o volume necessário para atingir 80% de conversão b) Sombreie a área no gráfico de Levenspiel que daria o volume necessário do CSTR para atingir uma conversão de 80%. X
0
0,1
0,2
-rA
0,45 0,37 0,3
0,4
0,6
0,7
0,8
0,195
0,113
0,079
0,05
Resolução X
0
0,1
0,2
0,4
0,6
0,7
0,8
-rA 0,45 0,37 (mol/m3.s)
0,3
0,195
0,113
0,079
0,05
1/(-rA)
2,22 2,70
3,33
5,13
8,85
12,7
20
FA0 /(-rA) (m3)
0,89 1,08
1,33
2,05
3,54
5,06
8,0
PFR F A0
dX dV
r A
X s
V
F A0
r dX 0
A
FA0 -rA Integração gráfica ou numérica X
Integração numérica Regra de Simpson: xn
h
f x2i 4 f x2i 1 f xn x f x dx 3 f x0 2 i 1 i 1 n / 2 1
0
n+1: número de dados. n é par Versão simplificada da regra de Simpson: xn
h
f x dx 3 E 4 I 2 P
x0
E: extremos I: internos impares P: internos pares
n/2
Exemplo
Exemplo 2-3 Fogler 4ª Ed.
A reação descrita pelos dados da tabela deve ocorrer em um PFR. A vazão molar de entrada é 0,4 mol/s. a) Usando os dados da tabela calcule o volume necessário para atingir 80% de conversão b) Sombreie a área no gráfico de Levenspiel que daria o volume necessário do PFR para atingir uma conversão de 80%. c)Finalmente, faça um esboço qualitativo da conversão, X, e da velocidade de reação, -rA, ao longo do comprimento (volume) do reator. X
0
0,1
0,2
-rA
0,45 0,37 0,3
0,4
0,6
0,7
0,8
0,195
0,113
0,079
0,05
Comparação de reatores contínuos Mesmas condições de alimentação
PFR
FA0 -rA
0
X
Xs
CSTR
Comparação de reatores contínuos
Reações isotérmicas, ordem >0 VCSTR > VPFR
Reações autocataliticas Reações inibidas pelo produto Reações exotérmicas
Exemplo
Exemplo 2-4 Fogler 4ª Ed.
É interessante comparar os volumes de um CSTR e de um PFR requeridos para a mesma tarefa. Com a finalidade de fazer essa comparação devemos usar o gráfico de Levenspiel para saber qual reator vai requerer o menor tamanho, de modo a atingir uma conversão de 80%: um CSTR ou um PFR?. A vazão molar de entrada FA0 = 0,4 mol/s e as condições de alimentação são as mesmas em ambos os casos.
Reatores em série CSTR
Melhor um reator grande ou dois pequenos?
Dois reatores
X1 X2
FA0 -rA
X X
X
Reatores em série CSTR
7 reatores
FA0 -rA
n CSTR’s
comportamento PFR
Reatores em série PFR Melhor um reator grande ou dois pequenos?
Dois reatores X1 X2
FA0 -rA
Exemplos
Exemplo 2-5 e 2-6 Fogler 4ª Ed.
Para dois reatores em série, uma conversão de 40% é atingida no primeiro reator. Qual é o volume necessário de cada um dos dois reatores, de modo a atingir uma conversão global de 80% da espécie A que entra no reator. Use as condições de reação dadas no exemplo 2-2. Calcule o volume total e compare com o volume se fosse só um reator. Considere que os dois reatores são: a)CSTR b)PFR
Combinação de CSTR e PFR em série
Qual será a melhor sequencia?
Dois reatores: CSTR-PFR
Dois reatores: PFR-CSTR
X1 X1
X2 X2
A de menor volume total
Combinação de CSTR e PFR em série Qual será a melhor sequencia?
CSTR-PFR
FA0 -rA
PFR-CSTR
FA0 -rA
Combinação de CSTR e PFR em série Qual será a melhor sequencia?
CSTR-PFR
FA0 -rA
PFR-CSTR
FA0 -rA
Exemplos
Exemplo 2-7 Fogler 4ª Ed.
A isomerização do butano n-C4H10 i-C4H10 ocorreu adiabaticamente na fase líquida e os dados da tabela foram obtidos. O esquema dos reatores é mostrado na figura. Calcule o volume de cada um dos reatores para uma vazão molar de entrada de n-butano igual a 50 kmol/h. Faça o gráfico de Levenspiel X 0 -rA (kmol/m3.h) 39
V1
0,2 53
0,4 59
X1=0,2 1
V2
0,6 38
X2=0,6 2
0,65 25
Exemplos
Exemplo 2-7 Fogler 3ª Ed.
Com os dados da tabela calcule o volume individual, bem como o volume total dos reatores, quando a conversão intermediária é 50%, a final é 80% e FA0=0,867 mol/s. A sequencia dos reatores é: a)PFR-CSTR b)CSTR-PFR c)Qual é o esquema que fornece menor volume? X 1/(-rA) (dm3.s/mol)
0 189
0,1 192
0,2 200
0,3 222
0,4 250
0,5 303
0,6 400
0,7 556
0,8 800
0,85 1000
Resolução PFR – CSTR ou CSTR - PFR? 1000
800
600 A r / 1 400
200
0 00
02
04
06
08