quinta-feira, 15 de outubro de 2015

Reatores Químicos - G.6

  
    Em engenharia química, reatores químicos são vasos projetados para conter reações químicas de interesse em escala industrial. O projeto de um reator químico trata com múltiplos aspectos de engenharia química, sobre os quais os engenheiros químicos trabalham para obter a maximização dos valores obtíveis para a reação dada. Projetistas trabalham para garantir que a reação se processe com maior eficiência para o produto de saída desejado, produzindo o mais alto rendimento do produto, mas gerando o mínimo de custos para serem comprados e operarem.




Classificação
        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. 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 térmicos e catalíticos.
Eletroquímicos – A reação decorre da passagem de corrente elétrica na mistura. Normalmente realizam reações com energia livre desfavorável. A fabricação do alumínio a partir da alumina é um exemplo.
Fotoquímicos – A reação ocorre devido à energia fotônica emitida por lâmpadas. Por exemplo, a produção do BHC pela cloração do benzeno pode ser feita em reatores fotoquímicos.
Bioquímicos – A reação utiliza a energia química proveniente do catabolismo celular. Estão ligados à 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 dornas de fermentação usadas na produção de etanol são exemplos de reatores bioquímicos.

Funções Operacionais
         Homogeneizar
         Desaglomerar
         Fundir
         Emulsificar
         Dissolver
Características construtivas e operacionais
Tipo de Reator
Catalítico – Utiliza-se de catalisador em alguma fase
Não catalítico – Não utiliza-se de catalisador
Geometria do Reator
Tanque com agitação
Tubular
Leito Fixo
Leito fluidizado
Número de Fases
Homogêneo - Reações em fase gasosa, líquido-líquido (catalisador)
Heterogêneo - Gás-sólido, gás-líquido, gás-líquido-sólido (catalisador)
Modo de Operação
Contínuo
Descontínuo
Semi-contínuo
Semi-descontínuo  

Tipos de Reatores - Foco nas reações homogêneas
1)      Reator descontínuo ou batelada:
         É um vaso com agitação mecânica no qual todos os reagentes são introduzidos no reator uma única vez. A agitação pode ser conseguida por agitadores de vários tipos ou por circulação através de bomba.


- Características:
Geralmente utilizado para produção em pequena escala e para teste de novos processos; na fabricação de produtos de alto valor agregado; para processos difíceis de se converter em operações contínuas (difícil controle);
Composição varia no tempo (dispositivo essencialmente transiente)
Operação pode ser feita a pressão e/ou temperatura constantes.



- Vantagens:
 Quando a capacidade de produção é baixa, processos baseados em reatores batelada terão usualmente menor investimento de capital do que os chamados processos contínuos.
 Possibilita altas conversões, pois pode ser adotado um longo tempo de residência dos reagentes no reator;
 Requer pouca instrumentação.

- Desvantagens:
  Altos custos de mão de obra e de manipulação de materiais envolvidos no preenchimento, esvaziamento e limpeza do reator;
  Não admite entrada nem saída de reagentes ou produtos durante o processamento da reação;
  Dificuldade de produção em larga escala.




2)    Reator de mistura ou contínuo
       Também conhecido como Reator Perfeitamente Agitado (RPA), É um vaso agitado com escoamento contínuo e sem acúmulo de reagentes ou produtos. Em um RPA, um ou mais fluidos reagentes são introduzidos em um reator tanque com um agitador enquanto o efluente do reator é removido. O agitador agita os reagentes para garantir a mistura adequada.
- Características:
    Composição uniforme dentro do reator;            
    Composição de saída igual à composição do interior do reator
    A taxa de reação é a mesma em todo reator.

- Vantagens:
      São preferíveis aos reatores batelada quando a capacidade de processamento requerida é grande. Apesar do investimento de capital necessário ser maior, os custos operacionais por unidade de produto são bem menores.
      Facilidade do controle de qualidade dos produtos devido ao controle automático do processo.




3)    Reator semi contínuo ou semi batelada
        Muito similar ao reator em batelada. Pode-se operar de diversas maneiras, como por exemplo, carregar algum dos reagentes dentro do tanque e então alimentar o material remanescente gradualmente.
- Vantagens:
      É vantajoso quando grandes efeitos de transferência de calor acompanham a reação.  




4) Reator Tubular
         Em inglês, é conhecido como Plug Flow Reactor (PFR). É um tubo sem agitação no qual as partículas escoam com a mesma velocidade na direção do fluxo.
         Em um PFR, um ou mais reagentes fluidos são bombeados através de uma tubulação que é o próprio reator. A reação química ocorre na medida em que os reagentes viajam através do PFR.
- Vantagens:
 Reagentes podem ser introduzidos no PFR em posições no reator que não seja o de entrada. Desta forma, uma maior eficiência pode ser obtida, ou o tamanho e o custo do reator PFR podem ser reduzidos.
 Um reator PFR normalmente tem uma eficiência mais alta que um reator RPA do mesmo volume. Isto é, dado o mesmo espaço-tempo, uma reação irá ocorrer a uma maior taxa de completação em um RFP que num RPA.


  Tipos de Reator - Foco nas Reações Heterogêneas
1)    Reator de Leito Fixo
        É um reator onde normalmente o meio reacional encontra-se numa fase (líquida ou gasosa) e existe um catalisador na fase sólida. É também chamado de reator catalítico de leito fixo, onde o catalisador sólido é constituído de inúmeras e pequenas partículas depositadas ao longo do comprimento de um tubo.
(Essa operação é bastante crítica (alto risco de explosão), possui instrumentos de controle automático, alarmes e travamento por medidas de segurança.).

- Características:

 É semelhante a um reator tubular (PFR), diferenciando-se pelo fato de ser recheado com partículas de catalisador sólido;
 É essencialmente um reator heterogêneo utilizado para catalisar reações em fase gasosa (reagentes e produtos gasosos e catalisador sólido);
 Apresenta as mesmas dificuldades de controle de temperatura dos reatores tubulares.


- Vantagem:
Para a maioria das reações produz a mais alta conversão por massa de catalisador. 

- Desvantagem:
Dificuldade na substituição do catalisador.
Formação de canais preferenciais de escoamento do gás gera uma utilização ineficiente do leito catalítico.
Custo do catalisador torna este reator mais caro que um trocador de calor.

2)    Reatores de Leito Fluidizado (FCC)*
            Na prática, trata-se de um tubo vertical onde pequenas partículas sólidas são suspensas em uma corrente de fluxo ascendente.
           Reatores FCC estão entre as maiores unidades de processamento utilizadas na indústria do petróleo. Uma unidade típica possui de 4 a 10 m de diâmetro interno, 10 a 20 m de altura e contém uma massa de catalisador em torno de 50 ton. Processa aproximadamente 40.000 barris de óleo cru por dia.
  * FCC – Fracionamento e Craqueamento Catalítico
 - Vantagens:
      A velocidade do fluxo é suficiente para “suspender” as partículas, mas não grande o suficiente para arrastá-las para fora do reator. Em função deste efeito, as partículas sólidas “dançam” no fluido e permitem que se forme uma excelente mistura entre ambos (partículas sólidas e fluido).      É semelhante a um reator tanque agitado no sentido de que seu conteúdo, embora seja um sistema heterogêneo, é bem misturado, resultando em uma distribuição homogênea de temperatura através do leito, evitando-se pontos quentes no reator      As partículas sólidas circulam rapidamente no leito, criando excelente condição de mistura entre elas.      Também apresenta excelentes características de transferência de massa. 
- Desvantagens:
 Volume do reator é grande;
 Alto custo de energia de compressão do fluido; alta perda de carga; arraste de partículas; erosão dos componentes internos e dificuldade de entendimento e modelagem.



     Para a maioria das reações químicas, é impossível alcançar-se 100% de aproveitamento. O ponto de equilíbrio para a maioria dos sistemas é menos que 100% completo. Por esta razão, é frequentemente realizado um processo de separação posterior ao reator químico, tal como destilação, de maneira a separar quaisquer reagentes remanescentes ou subprodutos do produto desejado. Estes reagentes podem, algumas vezes, ser reutilizados no início do processo.

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