INTRODUÇÃO AOS REATORES QUÍMICOS

Numa definição genérica, reatores químicos são recipientes onde ocorrem reações químicas, transferências de massa e calor.

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Em Engenharia Química, reatores químicos são vasos projetados para conter reações químicas de interesse e 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 para a reação dada. Projetistas garantem que a reação se processa 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. As despesas normais de operação incluem uma fonte de energia, remoção (dissipação) de energia, custos de matérias-primas, trabalho humano, etc. Transferências de energia podem vir na forma de aquecimento ou resfriamento, bombeamento para aumentar a pressão, a perda de pressão pelo atrito (como a queda de pressão através de um cotovelo de 90° na tubulação ou uma placa de orifício, agitação, etc.

Existem vários tipos de reatores químicos e várias maneiras de classificá-los. Quanto ao vaso (o formato mais básico do espaço físico onde se dão as reações), existem dois tipos principais básicos:

  • Reatores em tanques
  • Reatores em tubos

Ambos os tipos podem ser usados como reatores contínuos ou de bateladas. Mais comumente, reatores operam em estado estacionário, mas podem também ser operados em um estado transiente. Quando é primeiramente trazido à operação novamente (após uma manutenção ou inoperação) seria considerado em um estado transitório, onde as variáveis-chave do processo mudam com o tempo. Ambos os tipos de reatores também podem acomodar um ou mais sólidos (reagentes, catalisador ou material inerte), mas os reagentes e os produtos são normalmente líquidos e gases.

Os reatores reais são versões imperfeitas de alguns reatores ideais, sendo que existem três modelos básicos utilizados para estimar as variáveis de processo mais importantes de diferentes reatores químicos:

  • Reator em batelada, em inglês batch reactor, de aplicação bastante geral na indústria química mas limitada para processos industriais pesados, pois não permite produção contínua.
  • Reator perfeitamente agitado (RPA) ou reator tanque agitado contínuo (CSTR, de continuous stirred-tank reactor model), e
  • Reator de fluxo em pistão (PFR, plug flow reactor model), ou simplesmente reator pistão (RP).

Na prática, os diversos reatores operam em regimes intermediários entre estes dois últimos tipos básicos.

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Reatores CSTR em pequena escala

Além disso, reatores catalíticos requerem tratamento separado, se eles são reatores em batelada, RPA ou RP, muitas das suposições dos modelos mais simples não são válidas.

As variáveis chave de processo incluem:

  • Tempo de residência (τ, letra grega tau minúscula)
  • Volume (V)
  • Temperatura (T)
  • Pressão (P)
  • Concentrações de espécies químicas (C1, C2, C3, … Cn)
  • Coeficientes de transferência de calor (h, U)

No cálculo de reatores atual, é conveniente e econômico não perder-se tempo em estudos de cinética química extremamente profundos nos processos químicos em suas diversas escalas, reduzindo-se o tempo de pesquisa e desenvolvimento na extrapolação dos dados obtidos em laboratório para as plantas piloto, e destas, para as escalas das plantas químicas industriais. Nesse processo de ampliação de escala, há a consideração que dois processos químicos são similares quando para uma mesma reação química são obtidas as mesmas conversões, o que permite a extrapolação dos parâmetros da cinética química.

Os reatores também podem ser classificados quanto a natureza das fases participantes como reatores homogêneos de meios totalmente gasosos ou líquidos, e reatores heterogêneos, com os reagentes estando nas diversas combinações de fases possíveis: gás-líquido, gás-sólido, líquido-sólido e gás-líquido-sólido. Reatores de reações químicas sólido-sólido são relativamente raros.

Referências Bibliográficas:

  • Fogler, H. S., “Elements of Chemical Reaction Engineering”, 2nd Edition, Prentice Hall, New Jersey, 1992.
  • Levenspiel, O., “Engenharia das Reações Químicas”, Vols. 1 e 2 , Edgard Blucher Ltda, São Paulo, 1972.

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