Os reatores químicos industriais desempenham um papel fundamental em diversos processos e setores, ao passo que são projetados para facilitar as reações químicas em larga escala. Nesse sentido, são essenciais para a indústria química ao proporcionar um ambiente controlado fornecendo as condições ideais para que as transformações químicas ocorram da maneira desejada, garantindo a eficiência, segurança e qualidade na produção de uma ampla gama de produtos.
Os reatores variam em tamanho e formato, dependendo do tipo de reação a ser realizada e do produto final desejado, além disso seu design e modo de operação estão diretamente ligados a eficiência e segurança do processo. Logo, a escolha do reator correto é crucial para sanar as necessidades específicas de cada processo industrial, garantindo o aumento do rendimento, a qualidade do produto e a segurança da produção. Leia também nosso artigo sobre Reatores químicos e cinética de reação.
É nesse contexto que surgem os reatores tubulares! Os reatores tubulares ou Plug Flow Reactor (PFR) são usados principalmente em processos contínuos, onde os reagentes são alimentados continuamente e os produtos são retirados de forma ininterrupta, operando em estado estacionário com taxas de reação e condições constantes. Os reatores contínuos são ideais para processos industriais de grande escala, onde a produção em larga escala é necessária.
Componentes do Reator Tubular
Para garantir o desempenho adequado do reator tubular, é fundamental compreender os componentes internos que o constituem. Esses elementos não apenas sustentam a estrutura do equipamento, mas também influenciam diretamente nos parâmetros da reação. A seguir, serão apresentados os principais componentes presentes em um reator tubular e suas funções.
- Tubo de entrada e saída: É o tubo em uma extremidade que alimenta o reator tubular com todos os reagentes, chamado tubo de entrada. Na outra extremidade, há um tubo de liberação que elimina o produto final após ocorrer uma reação química completa, conhecido como tubo de saída;
- Tubo ou feixe tubular: É a estrutura principal do reator, por onde os reagentes escoam e ocorre a reação química. Pode ser um único tubo de grande diâmetro ou vários tubos paralelos e sua distribuição espacial afeta a transferência de calor e o tempo de residência. É feito de diferentes materiais que protegem as reações químicas internas de quaisquer interferências externas;
- Sistema de troca térmica: Exerce o papel de aquecer ou resfriar o reator, controlando a temperatura durante a reação, é composto por jaquetas externas, serpentinas ou fluidos térmicos no espaço entre tubos, em sistemas multitubulares;
- Isolamento térmico: É um revestimento externo que evita a perda ou ganho indesejado de calor para o ambiente, mantendo as condições reacionais estáveis e aumentando a eficiência energética;
- Sistema de controle: O sistema de controle é um componente essencial para o monitoramento dos parâmetros de reação química no dispositivo, permitindo o controle em tempo real. Além disso, o sistema de controle pode ser operado de forma remota por meio de sistemas digitais de automação e supervisão;
Alguns reatores tubulares apresentam outros componentes como catalisador, dispostos em forma de leito fixo é usado para aumentar a velocidade da reação sem ser consumido, e misturadores estáticos, instalados dentro do tubo para melhorar a homogeneização dos reagentes e a transferência de massa, que podem contribuir para a eficiência das reações químicas a depender dos produtos desejados. Leia também nosso artigo sobre Desafios da Catálise Heterogênea.
Fases do Reator tubular
Os reatores tubulares podem operar em diferentes configurações de fases, dependendo do tipo de reação química e do produto desejado. As fases definem como os componentes do sistema se comportam e organizam, ela pode ser monofásica, quando processam apenas uma fase, ou bifásica e trifásica, quando combinam duas ou três fases simultaneamente.
- Fase sólida: Geralmente consiste em catalisadores ou biomassa imobilizada em materiais de suporte. Essa fase aumenta a superfície de reação e promove interações químicas ou biológicas mais eficientes.
- Fase líquida: composta pelos reagentes, nutrientes, produtos ou poluentes, dependendo do processo. Em reatores bioquímicos ou de tratamento de efluentes, por exemplo, a fase líquida transporta os compostos que sofrem reação.
- Fase gasosa: inclui gases reagentes ou inertes, como oxigênio, ar ou dióxido de carbono. Em sistemas bifásicos (líquido-gás) ou trifásicos (líquido-sólido-gás), essa fase permite transferência de massa e contato adequado entre reagentes.
De modo geral, a escolha das fases e sua configuração depende das características da reação, levando em conta o fluxo e a interação dessas fases para garantir eficiência do procedimento.
Vantagens e Desvantagens
Uma das principais vantagens dos reatores tubulares é sua capacidade de operar em regime contínuo e em grande escala, o que permite elevada produção de produtos. Além disso, a geometria tubular proporciona uma área de superfície favorável à transferência de calor, especialmente em configurações multitubulares, o que auxilia no controle de temperatura. Seu design simples e sem peças móveis internas também reduz sua complexidade.
Embora os reatores tubulares apresentem boa área de troca térmica, em reações exotérmicas rápidas podem surgir gradientes de temperatura ao longo do tubo, formando pontos quentes (hot spots) e tornando o controle operacional mais difícil que em CSTRs. Além disso, a limpeza e a manutenção costumam ser mais complicadas e caras, devido ao formato tubular estreito e, em alguns casos, à presença de leito catalítico, que exige paradas prolongadas da planta para inspeção ou substituição de componentes.
Conclusão
Nesse sentido, os reatores tubulares podem contribuir com o aumento do rendimento, da qualidade e da segurança do produto, atendendo às necessidades específicas de diferentes processos industriais. Ademais, ajudam na redução de custos ao operar de forma eficiente. Assim, sua versatilidade e capacidade de adaptação a diferentes condições reacionais consolidam esses equipamentos como alternativas estratégicas e indispensáveis no cenário da engenharia química moderna.
Fontes:
https://apema.com.br/blog/reatores-industriais-tipos-e-aplicacoes/
https://www.jpxequipamentos.com.br/blog/reatores-quimicos-industriais-tipos-e-aplicacoes
https://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/bitstream/1/16562/1/PG_COENQ_2017_2_24.pdf
Artigo elaborado por Jéssica Almeida, integrante da Prisma Jr.