trabalho de reatores -exercicios do fogler - reações multiplas

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA REATORES QUÍMICOS I PROJETO DE REATORES QUÍMICOS

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Page 1: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBACENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICAREATORES QUÍMICOS I

PROJETO DE REATORES QUÍMICOS

Page 2: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Introdução

MATÉRIA PRIMA PRODUTOS

Gerar lucro;Gerar intermediários químicos para novos processos; Maximizar a geração de produtos desejados e de maior valor

agregado;Produzir o maior rendimento com o menor custo; Operar dentro de normas pré-estabelecidas de segurança e de

respeito ao meio-ambiente.

O que são reatores químicos e sua importância?

Page 3: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Reator Tubular

• Balanço molar

Eq. geral de balanço molar

Entrada - Saída + Geração = Acúmulo

Page 4: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Reator Tubular

• Sabendo que FA = FA0 (1-X)

Eq. de projeto do PFR

Page 5: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Reações MúltiplasREAÇÕES SIMPLES

• Reação de síntese/adição:

• Reação de análise/decomposição:

• Reação de simples troca:

• Reação de dupla troca:

REAÇÕES MÚLTIPLAS

• Em série/consecutivas:

• Em paralelo/competitivas:

• Complexas

• Independentes

Page 6: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Reações Múltiplas

• Reações desejadas e indesejadas

• Seletividade: qual produto é favorecido em reações múltiplas.

Page 7: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Seletividade

• O conceito de seletividade é usado para indicar a ocorrência de uma reação desejada em relação a reações laterais competitivas.

A seletividade nos diz como um produto é

favorecido em relação a outro quando temos

reações múltiplas Pode ser definida matematicamente de várias formas

Page 8: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Seletividade• Seletividade global, em termos das vazões de saída do reator.

• Seletividade instantânea, em termos das velocidades específicas de formação.

• Para o reator batelada

𝑆𝑒𝑙= 𝑣𝑎𝑧 ã 𝑜𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒𝑠𝑎 í 𝑑𝑎𝑑𝑜𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜𝑣𝑎𝑧 ã𝑜𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒𝑠𝑎í 𝑑𝑎𝑑𝑜𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑖𝑛𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜

𝑆𝑒𝑙= 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑑𝑒 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 çã𝑜𝑑𝑜𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑑𝑒 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 çã 𝑜𝑑𝑜𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑖𝑛𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜

 

Page 9: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Maximizando o produto desejado

Reações paralelas

• Tomando como exemplo as reações competitivas

• As leis de velocidade de produção dos produtos desejado e indesejado são:

Page 10: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Maximizando o produto desejado

Reações paralelas

• A velocidade de consumo de A para essa sequência de reações é a soma das velocidades de formação de U e de D.

• Para maximizar a quantidade de D, queremos que a sua velocidade de formação seja alta em relação à velocidade de formação de U.

• Parâmetro de seletividade baseado nas velocidades

Page 11: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Maximizando o produto desejado

Reações paralelas

• Caso 1, α1 > α2

Usar reator Batelada ou

PFR!

Page 12: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Maximizando o produto desejado

Reações paralelas

• Caso 2, α1 < α2:

Usar reator Batelada ou

CSTR!

Page 13: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Maximizando o produto desejado

Manter temperatura

alta!

• Caso 2, ED >EU

Page 14: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Maximizando o produto desejado

Manter temperatura

baixa!

• Caso 2, ED <EU

Page 15: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Maximizando o produto desejado

Reações em série

• No cenário de reações consecutivas, a variável mais importante é o tempo: tempo espacial para um reator com escoamento e tempo real para o reator batelada.

Page 16: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Velocidade resultante de formação

• Sejam q reações:

• As velocidades resultantes de reação de A e de B são encontradas somando as velocidades de formação de A e de B para cada reação em que as espécies A e B ocorrem.

Page 17: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Leis de velocidade

• As leis de velocidade para cada uma das reações individuais são expressas em termos de concentrações Cj, da espécie que reage.

• Se a reação a seguir seguisse uma lei elementar de velocidade, então a velocidade de consumo de A na reação seria:

Velocidade de consumo de A

Velocidade de formação de A

Page 18: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Leis de velocidade

• Sabe-se que a relação entre as velocidades específicas de reação segue a equação genérica abaixo:

• Sendo assim, as velocidades de formação das outras espécies presentes na reação são:

Page 19: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

PROBLEMA 6-14B FOGLER

As seguintes reações ocorrem isotermicamente em um PFR de 50m³:

A + 2B → C + D rD1 = kD1CACB²

2D + 3A → C + E rE2 = kE2CACD

B + 2C → D + F rF3 = kF3CBCC²Reação em fase líquidaKd1 (dm6/mol².min) 0,25 CA0 (mol/dm³) 1,5

kE2 (dm³/mol.min) 0,1 CB0 (mol/dm³) 2,0

kF3 (dm6/mol².min) 5,0 υ0 (dm³/min) 10,0

E deseja-se obter a concentração final de cada composto A, B, C, D e F.

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LEIS DE VELOCIDADES EM REAÇÕES MÚLTIPLAS

A + 2B → C + D(1)

2D + 3A → C + E(2)

B + 2C → D + F(3)

REAÇÃO 1

REAÇÃO 2

REAÇÃO 3:

rA = rA1 + rA2

rB = rB1 + rB3

rC = rC1 + r2C + r3C

rD = rD1 + rD2 + r3DrE = rE2

rF = rF3

Page 21: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

LEIS DE VELOCIDADES EM REAÇÕES MÚLTIPLAS

rA = - kD1CACB² + 3kE2CACD

rB = - kD1CACB² - kF3CBCC²

rC = kD1CACB² + kE2CACD - kF3CBCC²

rD = kD1CACB² - 2 kE2CACD + kF3CBCC²

rE = kE2CACD

rF = kF3CBCC²

rA = -rD1 + 3rE2

rB = -2rD1 - rF3

rC = rD1 + r2E - r3F

rD = rD1 - 2rE2 + r3F

rE = rE2

rF = rF3

Page 22: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

BALANÇO MOLAR POR COMPONENTE

Para A:

Para B:

Para C:

Para D:

Para E:

Para F:

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MÉTODO DE SENL POR NEWTON

()

(𝑥𝑘−𝑥0

𝑦𝑘− 𝑦0)=(− 𝑓 (𝑥𝑘 , 𝑦𝑘 )

−𝑔 (𝑥𝑘 , 𝑦𝑘 ))𝑖𝑛𝑣 ( 𝐽 (𝑥𝑘 , 𝑦𝑘 ))

Multiplicando ambos os lados da equação pela inversa

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RESOLUÇÃO DO MÉTODO

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RESULTADOS

Estimativa inicial

.

Resultados em mol/dm³ após 3 iterações:

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ROTINA DO MATLAB

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APLICAÇÃO NA INDUSTRIA

Em 1859 pelo químico francês Charles-Adolphe Wurtz, o qual utilizou como precursores de 2-cloroetanol com uma base.

Em 1931 - Theodore Lefort - óxido de etileno diretamente do etileno e oxigênio, usando prata como catalisador.

Desde 1940, quase todo óxido de etileno produzido industrialmente tem sido feito usando este método.

PRODUÇÃO DO ÓXIDO DE ETILENO

Page 28: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

APLICAÇÃO NA INDUSTRIA

O óxido de etileno libera grandes quantidades de energia, fazendo com que a recuperação desta seja uma grande preocupação primordial no projeto de unidades produtivas.

Por isso, um fluido refrigerante em cada reator, de modo a remover o calor gerado. O controle da temperatura da camisa destes reatores são parâmetros utilizados para controle e determinação da atividade do catalisador.

PRODUÇÃO DO ÓXIDO DE ETILENO

REATOR DE LEITO FIXO

O escoamento de gases em leito fixo se

aproxima de um reator pistonado.(RIBEIRO,2014)

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APLICAÇÃO NA INDUSTRIA

Page 30: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

APLICAÇÃO NA INDUSTRIA

REAÇÕES DO ÓXIDO DE ETILENO

Reação 1: Oxidação parcial do óxido de etileno – libera 35 kcal/mol – reação desejada;

Reação 2: Oxidação total do etileno a dióxido de carbono e água – libera 337 kcal/mol – reação indesejada;

Reação 3: A oxidação do óxido a dióxido de carbono e água – libera 302 kcal/mol - reação indesejada;

Page 31: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

CONCLUSÃO

• Vemos que nem sempre os reagentes presentes em um reator reagem em uma rota específica para resultar no produto desejado, como em uma reação simples.

• Logo, se faz necessário o calculo do rendimento do produto de interesse, assim como o quanto ele é formado em relação aos demais produtos, conceito esse que chamamos de seletividade.

• Desta forma, será possível fazer um estudo dos reatores necessários para maximizar a produção do produto de interesse de forma economicamente viável.

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CONCLUSÃO

• Ainda, vemos que para encontrar o perfil das vazões molares, de concentração e de pressão é necessário o uso de métodos numéricos, ou de um solver de EDOs, para combinar os balanços molares, com as velocidades resultantes de formação para cada espécie envolvida.

• Com uso deste recurso, será possível o cálculo da seletividade, e, consequentemente, do estudo de maximização de produção da espécie de interesse.

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REFERÊNCIAS

• FOGLER, S. C., Elementos de Engenharia das Reações Químicas, 3ª ed., Editora LTC, 2002.

• P. P. McClellan (1950). Manufacture and Uses of Ethylene Oxide and Ethylene Glycol. Ind. Eng. Chem.

• Streitwiser, Andrew; Heathcock, Clayton H. (1976). Introduction to Organic Chemistry Macmillan.

• RIBEIRO, G L.  Estudo da Estabilidade da Reação Industrial de formação de óxido de Etileno a partir do gerenciamento das Variáveis Críticas de Processo. Tese. p 222. 2013

Page 34: Trabalho de reatores -Exercicios do fogler - reações multiplas

Juliana Soares de Souza - 11507001

Marina Burtity Moura de Moura -11121642

Romário Ewerton Lira de Abreu - 11228345

Thais Cartaxo de Almeida - 11111093

UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBACENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICAREATORES QUÍMICOS I

Profª Drª Karla Silvana Menezes Gadelha de Sousa

PROJETO DE REATORES QUÍMICOS