Upload
romarioe
View
110
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBACENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICAREATORES QUÍMICOS I
PROJETO DE REATORES QUÍMICOS
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?
Reator Tubular
• Balanço molar
Eq. geral de balanço molar
Entrada - Saída + Geração = Acúmulo
Reator Tubular
• Sabendo que FA = FA0 (1-X)
Eq. de projeto do PFR
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
Reações Múltiplas
• Reações desejadas e indesejadas
• Seletividade: qual produto é favorecido em reações múltiplas.
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
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
Maximizando o produto desejado
Reações paralelas
• Tomando como exemplo as reações competitivas
• As leis de velocidade de produção dos produtos desejado e indesejado são:
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
Maximizando o produto desejado
Reações paralelas
• Caso 1, α1 > α2
Usar reator Batelada ou
PFR!
Maximizando o produto desejado
Reações paralelas
• Caso 2, α1 < α2:
Usar reator Batelada ou
CSTR!
Maximizando o produto desejado
Manter temperatura
alta!
• Caso 2, ED >EU
Maximizando o produto desejado
Manter temperatura
baixa!
• Caso 2, ED <EU
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.
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.
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
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:
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.
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
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
BALANÇO MOLAR POR COMPONENTE
Para A:
Para B:
Para C:
Para D:
Para E:
Para F:
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
RESOLUÇÃO DO MÉTODO
RESULTADOS
Estimativa inicial
.
Resultados em mol/dm³ após 3 iterações:
ROTINA DO MATLAB
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
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)
APLICAÇÃO NA INDUSTRIA
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;
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.
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.
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
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