ENGENHARIA DAS REAÇÕES QUÍMICAS I Cap. 6 – Projeto de reatores 6.4 - Reatores com reciclo Luis Rafael Bonetto
[email protected] Sala G-103 2017/4
PROGRAMAÇÃO •
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Reatores com reciclo; PFR com reciclo; CSTR com reciclo. Não esqueçam de olhar o item 6.3 do Cap. 6 do Levespiel e tópicos dos Cap. 5 e 8 do Fogler.
REATORES COM RECICLO ✓
O que é reciclo?
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Para que serve um reciclo?
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O que ocorre em colunas de destilação, de extração, com reciclo?
REATORES COM RECICLO O que vocês acham que acontece com o reciclo em reatores ?
REATORES COM RECICLO Pode-se empregar correntes de reciclo em reatores contínuos, tanto em PFR quanto em CSTR, com objetivos bem específicos: Reatores com reciclo são utilizados principalmente quando: ✓
a conversão de produtos indesejados (tóxicos) é requerida; sendo reciclados até a
extinção; ✓
a reação é autocatalítica;
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é necessário que se mantenha operação isotérmica (em sistemas com escassos
equipamentos de troca térmica); ✓
usar a corrente de produto como um diluente (manter C A0 em um valor baixo).
REATORES COM RECICLO Para qualquer caso, a razão de reciclo (R) é definida como:
à = Como a concentração no reciclo e na saída do reator é a mesma, R pode ser em termos de vazão molar também!
à = ã ã
Esta razão pode variar de zero (sistema sem reciclo) a infinito (toda a corrente de saída é reciclada). Esses efeitos possuem maior expressão em reatores tubulares (PFR).
PFR com reciclo
Balanço material: Considerando balanço molar para o reagente limitante A em um elemento de volume:
− − − = 0 = 1 − 1
PFR com reciclo Resolvendo as equações:
= 1 න, , − +
Equação geral de projeto para um PFR com reciclo (qualquer εA)
, = = − 1 න+ , − +
Com εA = 0
PFR com reciclo Em reatores com reciclo são comuns duas conversões:
1) Conversão global: baseada na alimentação pura do reator:
= , = − 2) Conversão por passe: baseada na alimentação na entrada do reator:
Relação entre as duas:
= −2 1 , = 1
Quando R = 0; XA,f = Xs
PFR com reciclo
Principais aplicações específicas a um PFR com reciclo: reduzir a conversão por passe, como em reações muito exotérmicas;
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obter seletividade, como por exemplo, em reações em paralelo, o reciclo inibe a
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formação de intermediários; reações bioquímicas/enzimáticas;
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necessidade de alto grau de mistura quando o volume do CSTR é inviável.
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PFR com reciclo Representação gráfica: Caso especial: só para ε A= 0
Representação geral: para qualquer ε A:
Altura média
PFR com reciclo Casos extremos:
Escoamento pistonado
Escoamento com mistura perfeita
PFR com reciclo Casos extremos: Pequeno reciclo
Grande reciclo
PFR com reciclo Reações irreversíveis de 1ª ordem: A integração da equação de reciclo dá, para uma reação do tipo A
→
R, com
A = 0,
ε
= ln , 1 1 , O gráfico a seguir mostra a transição de comportamento do reator pistonado para o reator de mistura perfeita conforme R aumenta.
PFR com reciclo Reações irreversíveis de 1ª ordem: Reator d e mistura perfeita
Reator pist onado
Reação de primeira ordem
PFR com reciclo Reações irreversíveis de 2ª ordem: A integração da equação de reciclo dá, para uma reação do tipo 2A → Produtos, com εA = 0 e (-r A) = kCA2,
= − , 1 , , O gráfico a seguir mostra a transição de comportamento do reator pistonado para o reator de mistura perfeita conforme R aumenta.
PFR com reciclo Reações irreversíveis de 2ª ordem: Reator de mist ura perfeita
Reator pisto nado
Reação de segunda ordem
CSTR com reciclo
Balanço material: Considerando balanço molar para o reagente limitante A no elemento de volume:
− 2 − − . = 0 3 − 2 3 − − . = 0
CSTR com reciclo Resolvendo a equação:
= − ✓
Equação geral de projeto para um CSTR (mesma coisa!)
Para um CSTR, o reciclo não afeta o desempenho do reator, estando voltado a
condições operacionais; ✓
Pode ser usado para controle de nível do tanque e de temperatura do meio
reacional (reatores não isotérmicos); Na verdade, uma corrente de reciclo geralmente aumenta o volume requerido de
✓
CSTR; ✓
É útil em biorreações, quando realizado um reciclo de células (nesse caso,
REFERÊNCIAS •
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FOGLER, H. Scott. Cálculo de Reatores - O Essencial da Engenharia das Reações Químicas. LTC, 05/2014. VitalSource Bookshelf Online FOGLER, H. Scott. Elementos de engenharia das relações químicas. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, c2009. xxix, 853 p. HAYES, R. E.; MMBAGA, J. P. Introduction to Chemical Reactor Analysis. 2. ed. New York: Taylor & Francis Group, 2013. 563 p. LEVENSPIEL, Octave. Engenharia das reações químicas. São Paulo: E. Blücher, 2000. 563 p.
