REAÇÕES EM FASE GASOSA COM QUEDA DE PRESSÃO PRESSÃO (PBR) (PB R) - AULA 3 Prof. Dra Vivian Stumpf Madeira 11/12/2012
1. Pro roccessos real aliz iza ados em re reat ator ore es catalíticos de leito fixo (PBR)
2. Reator Catalítico de Leito fixo (PBR)
Um tubo cilíndrico preenchido com partículas de catalisador com tamanho e forma uniformes. • A mistura gasosa flui, entre, ao redor e no caso de catalisadores porosos, dentro das partículas, sendo então convertida em produtos. • O atrito pelicular e o atrito de forma, causam uma queda de pressão na corrente gasosa ( P) que é descrita pela Equação de Ergun. •
Porque em fase gasosa, qto menor a pressão: Maior a vazão volumétrica do gás Menor a concentração das espécies reagentes Menor a velocidade da reação (para rçs de ordem ≠0,0) Menor a conversão alcançada para uma mesma massa de catalisador!!!
3. Queda de pressão pelo escoamento do gás através de um reator de leito fixo (PBR) 1 150 * (1 ) * * * * 1,75 * G dZ D p ³ D p dP
1
G
G * v
kg / s m²
G * v 0 * v0 cte
G= Velocidade superficial mássica do gás, ou seja, é o fluxo mássico total da fase gasosa no reator. Entretanto (kg/m³) e v(m/s) são funções da te peratura e da pr ão.
•
Considerando-se um comportamento de gás ideal no curso da reação:
Peso molecular do fluxo gasoso.
m(kg / s ) v(m³ / s )
P * PM R * T
é fç da pressão!
P T o F T o 0 * 0 * * * v P o T F T vo
Substituindo na Eq. de Ergun:
1 150 * (1 ) * 1 G * 1,75 * G * * P T o F To o * D p ³ dZ D p * * P 0 T F T Se todo este termo não varia com o curso da reação (ou seja com z) o cte dP
dP
P 0
T F T o * * Perda de carga ao longo do reator dZ P T 0 F To
fç ( P ,T , F T )
1 150 * (1 ) * * 1,75 * G o * o * D p ³ D p G
W cat . * (1 ) * At * z dW cat . * (1 ) * At * dz dP
o
P 0
T F T * * * dW cat. * (1 - ) * A t P T 0 F To
dP dW
??
Massa de catalisador sólido (kg), contida em um comprimento diferencial, dz ao longo do reator.
Dividindo por P o dos dois lados, definindo y = P/P o e rearranjando:
dY
T F T P * * ; Y dW 2Y T 0 F To P o
2 * o cat. * (1 - ) * A t * Po
Quais são as unidades de e o?? = 1/kg; 0 =Pa/m.
1 150 * (1 ) * * 1,75 * G o * o * D p ³ D p G
Com queda de pressão, as concentrações dos reagentes e a velocidade da reação serão sempre menores do que no caso sem queda de pressão. Portanto, comparando-se para um mesmo volume de reator, a conversão obtida será menor.
Exemplo 1: Efeito da queda de pressão na conversão. PBR: Reação: 2A
B+C
Exemplos 4-4 e 4-5 (Fogler)
Hipóteses:
1. 2. 3. 4.
Rç catalítica heterogênea (fase gasosa); Rç de segunda ordem; T=To=260 0C; Po=10atm (P≠Po - com perda de carga).
Calcule: a) A massa de catalisador necessária para
uma conversão de 70%. (Resposta: 20kg) b) A vazão volumétrica do gás qdo atingida essa conversão. (Resposta: 15m³/h)
Y Ao = Alimentação de A puro C Ao = Cto =
Dados:
??
kmol/m³
k (260oC) - cte cinética =
12,00
m6/kmol.kg.cat.h
vo (vazão volumétrica do gás) =
7,15
m³/h
Dp (diâmetro da partícula catalisador) =
0,006
m
Densidade catalisador =
1.923,00
kg/m³
Área da seção transversal do reator =
0,0013
m²
To=T (cte) = Reator isotérmico
533,15
K
10,00
atm
Po =
Considere as propriedades do gás iguais às do ar na mesma temperatura e pressão.
1,00
1.013.250,00
Pa (N/m²)
R (cte dos gases) =
0,0820
m³.atm/kmol.K
Ar = Peso Molecurar =
28,840
g/mol
Densidade do gás (260 0C)=
6,597
kg/m³
G (fluxo mássico gás) = Porosidade do leito catalítico =
36.282,29 0,45
(kg/h)/m²
1) Balanço Molar:
Resolução:
dX dW
r '
A
F Ao
2) Lei de Velocidade: r A k A (T )* C A ² 0,0 3) Estequiometria: C A C Ao (1 X )Y ; P Y v Po F A
dX dW 4) Combinação:
dY dW dX dW
kC Ao vo
; Y (W ) (1 W )
2Y kC Ao vo
(1 X )²Y ²
(1 X )²(1 W )
W vo X dX (1 W ) dW * kC (1 X )² Ao 0 0 v X 1 5) Avaliação: o * (1 W )² 1 2 kC Ao 1 X PBR
vo X W * W 1 2 kC 1 X
•
Conversão em fç da massa de catalisador no leito fixo: Avaliação do efeito da perda de carga na conversão 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65
X 0,60 , o ã s r 0,55 e v n o C 0,50
c/ perda de carga s/ perda de carga
0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 -
2
4
6
8
10
12
14
16
Massa de catalisador, kg
18
20
22
24
26
•
Evolução da vazão volumétrica do gás em fç da queda de pressão 40,00 35,00 30,00 25,00 h / ³ m20,00 , v
15,00 10,00 5,00 0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
Massa catalisador, kg
c/ queda de pressão
s/ queda de pressão
25,0
30,0
•
Conversão para diferentes tamanhos de partícula (variação em fç da perda de carga) 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65
A conversão diminui!!
X 0,60 , o ã s r 0,55 e v n o C 0,50
dp=0,006m dp=0,004m
0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 -
1
2
3
4
5
6
7
8
Massa de catalisador
9
10
11
12
13
14
•
Conversão para diferentes porosidades do leito (variação em fç da perda de carga) 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65
A conversão diminui!!
X 0,60 , o ã s r 0,55 e v n o C 0,50
dp=0,006; porosidade=0,45; 100% A dp=0,006; porosidade = 0,35; 100% A
0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 -
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Massa de catalisador
Evolução da pressão ao longo do reator catalítico heterogêneo 1,20 1,00 0,80 0,60 o P / P
0,40 0,20 0,0 (0,20)
5,0
10,0
15,0
Massa catalisador, kg
porosidade 35%
porosidade 45%
20,0
25,0
4.
Exemplo Prático: Variação na perda de carga
de um conversor catalítico de SO2/SO3
Exemplo: Queda de pressão na produção H 2SO4 15% do ácido sulfúrico produzido no Brasil utiliza os gases oriundos da ustulação de minerais sulfetados, (sulfetos de cobre, zinco, níquel e ouro), para a obtenção de SO2.
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•
•
Caraíba Metais (Camaçari/BA); Votorantim Metais (MG); AngloGold Brasil (Nova Lima/MG).
Neste caso, a planta de ácido sulfúrico compreende três sistemas Sistema de limpeza dos gases; Conversor catalítico de SO 2/SO3; Sistema de absorção do SO3 gasoso em ácido sulfúrico concentrado. •
Sistema de Limpeza dos gases: Torre de lavagem dos gases
T1101 (névoa de água formada pelos bicos atomizadores); Torre de lavagem com recheio – T1102; Precipitadores eletrostáticos úmidos – T1103; Torre de secagem dos gases – T1104 (com ácido sulfúrico em contracorrente).
•
Dados da planta: •
–
Vazão do gás: 190.000 m³/h; Temperatura de entrada: 600 a 700 0C; Teor de sólidos: 100 g/m³. Teor de sólidos após sistema limpeza: 0,5 mg/m³. Fonte: Caraíba Metais, 2006.
s e ) s s a o g d s l a o u d i c a t z r e a p p e m i l d o e ã d ç a o m m e e t r ( s i S
T1101 – Torre Umidificadora
T1102 – Torre de Lavagem
Precipitadores Eletrostáticos
Torre de secagem do gás (remoção de água por absorção em H2SO4). Eliminadores de névoa
