Cálculo de Reatores - O Essencial da Engenharia das Reações Químicas

Autor(es): FOGLER, H. Scott
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Cálculo de Reatores – O Essencial da Engenharia das Reações Químicas foi elaborado para estudantes de graduação em Engenharia Química e cursos afins. A densidade e a abrangência da obra são compatíveis com o conteúdo proposto, o que permite que ela seja uma excelente ferramenta para que o estudante desenvolva as habilidades do raciocínio lógico, do pensamento crítico e criativo. Isto facilita o aprendizado consciente e verdadeiro que o capacita a resolver qualquer tipo de problema proposto, preparando-o para o futuro exercício profissional e a tomada de decisões.

Entre os temas destacados nesta obra estão: maior ênfase em segurança, de acordo com as recomendações do Chemical Safety Board. São usadas situações realistas com destaque para três casos singulares: explosão de nitrato de amônio em CSTR; reação fora de controle da nitroanilina em reator batelada; explosão do reator batelada fora de controle dos laboratórios T2;

• conversões de energia solar: química, térmica, e decomposição eletrolítica da água;
• produção de algas para biomassa;
• projeto de reator não isotérmico em regime estacionário, abordando reatores de escoamento contínuo e troca de calor;
• projeto de reator não isotérmico em regime não estacionário, com estudos de caso de explosão de reator.

O livro é complementado, ainda, por diversos materiais suplementares on-line em inglês e português, acessíveis mediante cadastro na página da LTC Editora GEN – Grupo Editorial Nacional. Todos esses recursos permitem a estudantes e professores otimizarem o tempo de aula e de estudo em prol de uma formação mais densa e voltada para o mercado de trabalho.

14 capítulos

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Capítulo 1 - Balanços Molares

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Balanços Molares

1

O primeiro passo para a sabedoria é reconhecer que somos ignorantes.

Sócrates (470-399 a.C.)

O Vasto Mundo Selvagem da Engenharia das Reações Químicas

Cinética química é o estudo das velocidades de reação e dos mecanismos de reação. O estudo da engenharia das reações químicas (ERQ) combina o estudo da cinética química com os reatores nos quais as reações ocorrem. A cinética química e o projeto de reaO que difere um en- tor são partes essenciais da produção de quase todos os produtos químicos industriais, genheiro químico de tais como a fabricação de anidrido ftálico mostrada na Figura 1-1. É principalmente o outros engenheiros? conhecimento da cinética química e do projeto de reatores que diferencia o engenheiro químico de outros engenheiros. A seleção de um sistema de reação que opera da maneira mais segura e eficiente pode ser a chave para o sucesso ou o fracasso econômico de uma instalação química. Por exemplo, se um sistema de reação produz uma grande quantidade de um produto indesejado, a subsequente purificação e separação do produto desejado pode tornar o processo economicamente inviável.

 

Capítulo 2 - Conversão e Dimensionamento de Reatores

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Conversão e

Dimensionamento de Reatores

2

Seja mais preocupado com seu caráter do que com sua reputação, porque caráter é aquilo que você realmente é, enquanto reputação é apenas aquilo que os outros pensam que você é.

John Wooden, técnico, UCLA Bruins

Visão Geral. No primeiro capítulo, a equação geral do balanço molar foi deduzida e então aplicada aos quatro tipos mais comuns de reatores industriais. Uma equação de balanço foi desenvolvida para cada tipo de reator, e essas equações estão resumidas na Tabela R-1 no Capítulo 1. No Capítulo 2, mostraremos conceitualmente como podemos dimensionar e arranjar esses reatores, de tal modo que o leitor possa ver a estrutura do projeto de ERQ e não se perca em detalhes matemáticos.

Neste capítulo nós

•• Definimos conversão

•• Reescrevemos todas as equações de balanço para os quatro tipos de reatores industriais do Capítulo 1, em termos de conversão, X

•• Mostramos como dimensionar esses reatores (isto é, determinar o volume do reator), uma vez que a relação entre a velocidade de reação e a conversão é conhecida, ou seja, −rA = f(X) é dada

 

Capítulo 3 - Leis de Velocidade

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Leis de Velocidade

3

O sucesso é medido não pela posição que se atinge na vida, mas pelos obstáculos que tiveram de ser superados na busca do sucesso.

Booker T. Washington

Visão Geral. No Capítulo 2 mostramos que se tivermos a velocidade de reação como uma função da conversão, –rA = f(X), podemos calcular o volume de reator necessário para alcançar uma conversão especificada para sistemas com escoamento, e o tempo necessário para alcançar uma dada conversão em um sistema em batelada. Infelizmente, raramente, se é que é o caso, nos é dado –rA = f(X), diretamente a partir de dados cinéticos coletados. Mas não se assuste, pois nos próximos dois capítulos mostraremos como obter a velocidade de reação como uma função da conversão. Esta relação entre velocidade de reação e conversão será obtida em duas etapas:

•• Na Etapa 1, descrita no Capítulo 3, definiremos a lei de velocidade, que relaciona a velocidade de reação com a temperatura e as concentrações das espécies reagentes.

 

Capítulo 4 – Estequiometria

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Estequiometria

4

Se você pensa que pode, você pode.

Se você pensa que não pode, você não pode.

Você está certo das duas maneiras.

Visão Geral. No Capítulo 3 descrevemos como a velocidade de reação, −rA, está relacionada com a concentração e temperatura (Passo 1). Esta relação é o primeiro passo de um processo de dois passos para encontrar a velocidade de reação como função da conversão. Neste capítulo mostraremos como a concentração pode ser relacionada à conversão (Passo 2), e uma vez feito isto teremos −rA = f(X) e poderemos projetar uma grande variedade de sistemas de reação. Nós usaremos tabelas estequiométricas, juntamente com as definições de concentração, para encontrar a concentração como uma função de conversão.

Batelada

Escoamento contínuo

Líquido

á

•• Para sistemas em batelada o reator é rígido; assim, V = V0, e então usamos a tabela estequiométrica para expressar a concentração em função da conversão:

CA = NA/V0 = CA0(1 − X).

 

Capítulo 5 - Projeto de Reator Isotérmico: Conversão

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Projeto de Reator

Isotérmico:

Conversão

5

Ora, uma criança de quatro anos poderia entender isto. Alguém aí me traga uma criança de quatro anos.

Groucho Marx

Juntando tudo

Visão Geral. Nos Capítulos 1 e 2 discutimos balanços molares nos reatores e manipulamos esses balanços para prever os tamanhos dos reatores. No Capítulo 3 discutimos reações, e no Capítulo 4 discutimos a estequiometria de reações. Nos Capítulos 5 e 6 combinaremos reações e reatores, juntando o material que já aprendemos nos quatro capítulos anteriores, para chegarmos a uma estrutura lógica para o projeto de vários tipos de reatores. Utilizando essa estrutura, devemos ser capazes de resolver problemas de engenharia de reações químicas por dedução em vez de memorizarmos um grande número de equações, juntamente com várias restrições sob as quais cada equação se aplica (por exemplo, se existe ou não uma variação no número total de mols, etc.).

Neste capítulo utilizamos os balanços molares em termos de conversão, Capítulo

 

Capítulo 6 - Projeto de Reator Isotérmico: Vazões Molares

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Projeto de Reator

Isotérmico: Vazões

Molares

6

Não deixe que seus medos... fiquem no caminho dos seus sonhos.

Anônimo

Visão Geral. No último capítulo, usamos a conversão para projetar reatores isotérmicos para reações simples. Enquanto em muitas situações escrever os balanços molares em termos de conversão é uma estratégia extremamente eficaz, há muitos exemplos em que é mais conveniente, e em muitos casos absolutamente necessário, escrever o balanço molar em termos do número de mols (NA, NB), ou vazões molares (FA, FB), conforme mostrado na Tabela R-1 do Capítulo 1.

Neste capítulo mostraremos como fazer pequenas alterações em nosso algoritmo para analisar estas situações. Usando nosso algoritmo, primeiro escreveremos um balanço molar para cada espécie e depois precisaremos relacionar as leis de velocidade de uma espécie em relação à outra utilizando as velocidades relativas descritas no Capítulo 2.

Utilizaremos as vazões molares em nosso balanço molar para analisar:

 

Capítulo 7 - Aquisição e Análise de Dados

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Aquisição e Análise de Dados

7

Você pode observar muito apenas assistindo.

Yogi Berra, New York Yankees

Visão Geral. Nos Capítulos 5 e 6 mostramos que, uma vez que conhecemos a lei de velocidade, a mesma pode ser substituída na equação de balanço molar apropriado, e, com o uso de relações estequiométricas adequadas, podemos usar os algoritmos de ERQ para analisar qualquer sistema de reações isotérmicas. Neste capítulo focaremos nas diversas formas de obter e analisar dados de velocidade de reação para encontrar a lei de velocidade para uma determinada reação.

Discutiremos dois tipos comuns de reatores que são utilizados para obter dados de reação: o reator batelada, utilizado principalmente para reações homogêneas, e o reator diferencial, utilizado para reações heterogêneas sólido-fluido. Nos experimentos em um reator batelada, concentração, pressão e/ou volume são comumente medidos e registrados em tempos diferentes durante a reação. Os dados adquiridos em um reator batelada são em operação transiente, enquanto as medidas em um reator diferencial são realizadas em operação no regime estacionário.

 

Capítulo 8 - Reações Múltiplas

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Reações Múltiplas

8

O desjejum dos campeões não é cereal, são os seus opositores.

Nick Seitz

Visão Geral. Raramente a reação que interessa é a única que ocorre em um reator químico. Normalmente, ocorrem reações múltiplas, algumas desejadas e outras indesejadas. Um dos fatores principais para o sucesso econômico de uma indústria química é a minimização de reações secundárias indesejadas que ocorrem junto com a reação desejada.

Neste capítulo, discutimos a seleção de reatores e o balanço molar geral, velocidades resultantes de reação e velocidades relativas para reações múltiplas.

Primeiro, descrevemos os quatro tipos básicos de reações múltiplas:

• Em série

• Em paralelo

• Independentes

• Complexas

Em seguida, definimos o parâmetro de seletividade e discutimos como ele pode ser usado para minimizar reações secundárias indesejadas através da escolha apropriada das condições de operação e da seleção de reatores.

Na sequência, mostramos como modificar nosso ERQ algoritmo para resolver problemas da engenharia de reações quando reações múltiplas estão envolvidas.

 

Capítulo 9 - Mecanismos de Reação, Rotas, Biorreações e Biorreatores

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Mecanismos de

Reação, Rotas,

Biorreações e

Biorreatores

9

Quase tão bom quanto saber alguma coisa é saber onde encontrar informações a respeito dela.

Samuel Johnson (1709-1784)

Visão Geral. Dois dos principais fundamentos que embasam este capítulo são a hipótese do estado pseudoestacionário (HEPE) e o conceito de intermediários ativos. Intermediários ativos são espécies químicas altamente reativas que desaparecem quase tão rapidamente quanto são formadas. Consequentemente, podemos usar a HEPE que assume que a velocidade de reação resultante de formação de um intermediário ativo é zero. Utilizaremos a HEPE para desenvolver leis de velocidade de reação para reações químicas que não seguem leis de velocidade de reação elementares e para reações biológicas.

As reações globais que não seguem leis de velocidade de reação elementares geralmente envolvem um mecanismo de várias reações. Para desenvolver leis de velocidade de reação para reações não elementares:

 

Capítulo 10 - Catálise e Reatores Catalíticos

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Catálise e Reatores

Catalíticos

10

Não é que eles não possam ver a solução. É que eles não podem ver o problema.

G. K. Chesterton

Visão Geral. O objetivo deste capítulo é desenvolver um entendimento de catálise, mecanismos de reação e projeto de reatores catalíticos. Especificamente, após ler este capítulo, deve-se ser capaz de

•• Definir um catalisador e descrever suas propriedades

•• Descrever as etapas em uma reação catalítica e na deposição química de vapor

(CVD)*

•• Sugerir um mecanismo e usar o conceito de etapa limitante para obter a lei de velocidade

•• Utilizar regressão não linear para determinar a lei de velocidade e os parâme­ tros da lei de velocidade que melhor se ajustam aos dados

•• Utilizar os parâmetros da lei de velocidade para projetar PBRs e CSTRs flui­ dizados

As diversas seções deste capítulo correspondem aproximadamente a esses objetivos.

*A sigla CVD, do inglês Chemical Vapor Deposition, é de uso corrente. (N.T.)

 

Capítulo 11 - Projeto de Reator Não Isotérmico — O Balanço de Energia em Regime Estacionário e Aplicações de PFR Adiabático

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Projeto de Reator

Não Isotérmico —

O Balanço de

Energia em Regime

Estacionário e

Aplicações de PFR

Adiabático

11

Se você não pode aguentar o calor, saia da cozinha.

Harry S. Truman

Visão Geral. Como a maioria das reações não são conduzidas isotermicamente, focalizaremos agora nossa atenção nos efeitos térmicos sobre os reatores químicos. As equações básicas de balanço molar, leis de velocidade e relações estequiométricas derivadas e utilizadas nos Capítulos 5 e 6 para o projeto de reator isotérmico ainda são válidas para o projeto de reatores não isotérmicos, assim como o algoritmo de ERQ. A diferença principal está no método de avaliação da equação dos balanços molares quando a temperatura varia ao longo do comprimento de um PFR ou quando calor é removido de um CSTR. Este capítulo está estruturado como segue:

•• A Seção 11.1 mostra por que precisamos do balanço de energia e como ele será utilizado para resolver problemas de projeto de reatores.

 

Capítulo 12 - Projeto de Reator Não Isotérmico em Regime Estacionário – Reatores Contínuos com Transferência de Calor

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Projeto de Reator

Não Isotérmico em

Regime Estacionário

– Reatores Contínuos com Transferência de

Calor

12

Pesquisar é ver o que todos os outros veem e pensar aquilo que ninguém pensou.

Albert Szent-Györgyi

Visão Geral. Este capítulo se concentra em reatores químicos com transferência térmica. Os tópicos do capítulo são arranjados da seguinte maneira:

• A Seção 12.1 desenvolve adicionalmente o balanço de energia, para facilitar sua aplicação em PFRs e PBRs.

• A Seção 12.2 descreve PFRs e PBRs para quatro tipos de operações com trocador de calor.

(1) Fluido de troca térmica com temperatura constante, Ta

(2) Temperatura variável Ta do fluido, com operação cocorrente

(3) Temperatura variável Ta do fluido, com operação contracorrente

(4) Operação adiabática

• A Seção 12.3 descreve o algoritmo de projeto de um PFR/PBR com efeitos térmicos.

• A Seção 12.4 aplica o balanço de energia a um CSTR.

 

Capítulo 13 - Projeto de Reator Não Isotérmico em Regime Não Estacionário

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Projeto de Reator

Não Isotérmico em Regime Não

Estacionário

13

Engenheiros Químicos não são pessoas gentis, eles gostam de altas temperaturas e pressões elevadas.

Steve LeBlanc

Visão Geral. Até agora temos nos concentrado na operação em regime estacionário de reatores não isotérmicos. Nesta seção o balanço de energia em regime não estacionário será desenvolvido e então aplicado aos reatores CSTR, batelada e semicontínuo de mistura perfeita.

• A Seção 13.1 mostra como a equação geral do balanço de energia (Equação

11-9) pode ser rearranjada em uma forma mais simplificada para operações em regime não estacionário.

• A Seção 13.2 discute a aplicação do balanço de energia em reatores batelada e apresenta os aspectos relativos à segurança na operação de reatores, assim como os motivos da explosão de um reator batelada industrial.

• A Seção 13.3 mostra como aplicar o balanço de energia em reatores semicontínuos com temperatura ambiente variável.

 

Apêndices

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Apêndices

Apêndices do Texto

A. Técnicas Numéricas

B. Constante do Gás Ideal e Fatores de Conversão

C. Relações Termodinâmicas Envolvendo a Constante de Equilíbrio

D. Nomenclatura

E. Pacotes de Software

F. Dados de Velocidade de Reação

G. Problemas Abertos

H. Como Utilizar o Site da LTC Editora

Apêndices do Site da LTC

Editora

A. Diferenciação Gráfica por Áreas Iguais

D. Utilizando Gráficos Semilog na Análise de Dados de

Velocidade de Reação

G. Problemas Abertos

H. Como Utilizar o Site da LTC Editora

K. Soluções Analíticas para Equações Diferenciais

Ordinárias

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A

Técnicas

Numéricas

A.1 Integrais Úteis no Projeto de Reatores

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