ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA PHD 5746 – PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS II REATORES HOMOGÊNEOS E HETEROGÊNEOS Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho

REATORES HOMOGÊNEOS E HETEROGÊNEOS IntroduçãoDefinição Reatores Ideais Reatores em batelada (Batch e semi batch reactor) Reatores de Mistura Completa Reator Pistonado Ideal

REATORES HOMOGÊNEOS E HETEROGÊNEOS Reatores Heterogêneos Mecanismos de Transferência de Massa Coeficientes de Transferência de Massa Estudos de Caso

TRATAMENTO CONVENCIONAL DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO ManancialCoagulaçãoFloculaçãoSedimentação Filtração Desinfecção FluoretaçãoCorreção de pH Água Final Agente oxidante CAP CoagulanteAlcalinizante Agente oxidante Polímero Agente oxidante Flúor Alcalinizante

REATORES HOMOGÊNEOS E HETEROGÊNEOS

PROCESSO DE LODOS ATIVADOS CONVENCIONAL Grade Caixa de areia Decantador Primário Tanque de Aeração Decantador Secundário Adensamento Digestão SecagemLodo “Seco” Rio

ETE Barueri REATORES HOMOGÊNEOS E HETEROGÊNEOS

REATORES E BALANÇO DE MASSA

Definição de reator: Espaço físico delimitado, onde processos físicos, químicos ou biológicos são conduzidos em condições controladas, visando atingir um propósito definido

A+B  C+D Transporte de massa Entrada Saída O objetivo é estabelecer as bases para o seu projeto com objetivos definidos O objetivo é estabelecer as bases para o seu projeto com objetivos definidos Sistemas de engenharia O objetivo é a sua descrição e antecipar mudanças ambientais em função de diferentes inputs Sistemas naturais REATORES HOMOGÊNEOS E HETEROGÊNEOS

REATORES E BALANÇO DE MASSA Reatores Homogêneos: Sistema ou volume de controle no qual admite-se que as reações químicas e bioquímicas ocorram preponderantemente em uma uma única fase.

REATORES E BALANÇO DE MASSA Reatores Heterogêneos: Sistema ou volume de controle no qual admite-se que as reações químicas e bioquímicas ocorram em mais de uma fase, podendo o sistema ser bifásico ou trifásico.

REATORES HETEROGÊNEOS Gás Sólido Líquido Volume de controle Interfaces Transferência de massa interfacial

REATORES HETEROGÊNEOS Gás Sólido Líquido Volume de controle Interfaces Transferência de massa interfacial ProcessoEngenharia Sistema natural ReaçãoAbsorção Aeração em processos biológicos Reaeração em lagos e reservatórios TM em sistemas gás- líquido A+B  C+D Transporte de massa Entrada Saída O objetivo é estabelecer as bases para o seu projeto com objetivos definidos O objetivo é estabelecer as bases para o seu projeto com objetivos definidos Sistemas de engenharia O objetivo é a sua descrição e antecipar mudanças ambientais em função de diferentes inputs Sistemas naturais

REATORES HETEROGÊNEOS Gás Sólido Líquido Volume de controle Interfaces Transferência de massa interfacial ProcessoEngenharia Sistema natural ReaçãoAdsorção Remoção de compostos orgânicos em ETA’s e ETE’s Acúmulo de compostos orgânicos em siltes e argilas Acúmulo de solutos em fase sólida A+B  C+D Transporte de massa Entrada Saída O objetivo é estabelecer as bases para o seu projeto com objetivos definidos O objetivo é estabelecer as bases para o seu projeto com objetivos definidos Sistemas de engenharia O objetivo é a sua descrição e antecipar mudanças ambientais em função de diferentes inputs Sistemas naturais

REATORES HETEROGÊNEOS Gás Sólido Líquido Volume de controle Interfaces Transferência de massa interfacial ProcessoEngenharia Sistema natural Reação Oxidação por via biológica Degradação de compostos orgânicos em ETE’s Autodepuração de corpos receptores Reações de oxidação A+B  C+D Transporte de massa Entrada Saída O objetivo é estabelecer as bases para o seu projeto com objetivos definidos O objetivo é estabelecer as bases para o seu projeto com objetivos definidos Sistemas de engenharia O objetivo é a sua descrição e antecipar mudanças ambientais em função de diferentes inputs Sistemas naturais

REATORES HETEROGÊNEOS Gás Sólido Líquido Volume de controle Interfaces Transferência de massa interfacial ProcessoEngenharia Sistema natural ReaçãoDesinfecção Inativação de patogênicos em ETA’s e ETE’s Inativação de microrganismos por UV e calor Diversas A+B  C+D Transporte de massa Entrada Saída O objetivo é estabelecer as bases para o seu projeto com objetivos definidos O objetivo é estabelecer as bases para o seu projeto com objetivos definidos Sistemas de engenharia O objetivo é a sua descrição e antecipar mudanças ambientais em função de diferentes inputs Sistemas naturais

REATORES HETEROGÊNEOS Gás Sólido Líquido Volume de controle Interfaces Transferência de massa interfacial ProcessoEngenharia Sistema natural ReaçãoFiltração Remoção de colóides em ETA’s e ETE’s Colmatação de aquíferos por microrganismos ou colóides Acúmulo de partículas em superfícies A+B  C+D Transporte de massa Entrada Saída O objetivo é estabelecer as bases para o seu projeto com objetivos definidos O objetivo é estabelecer as bases para o seu projeto com objetivos definidos Sistemas de engenharia O objetivo é a sua descrição e antecipar mudanças ambientais em função de diferentes inputs Sistemas naturais

REATORES HOMOGÊNEOS E HETEROGÊNEOS REATORES IDEAIS REATORES EM BATELADA (BATCH E SEMI BATCH REACTOR) REATORES DE MISTURA COMPLETA (CFSTR) REATOR PISTONADO IDEAL (PFR)

REATORES EM BATELADA BATCH E SEMI BATCH REACTOR Q(t), C e (t) V0V0 V(t)

REATORES EM BATELADA BATCH E SEMI BATCH REACTOR Q(t), C e (t) V0V0 V(t) Característica PrincipalCaracterística Principal EquacionamentoEquacionamento Balanço de massa da fase líquidaBalanço de massa da fase líquida Balanço de massa do constituinte CBalanço de massa do constituinte C

REATORES EM BATELADA BATCH E SEMI BATCH REACTOR Q(t), C e (t) V0V0 V(t) Balanço de massa do elemento CBalanço de massa do elemento C 0 Cinética Química !!!!

REATORES EM BATELADA BATCH E SEMI BATCH REACTOR Q(t), C e (t) V0V0 V(t) Balanço de massa do elemento CBalanço de massa do elemento C

REATORES EM BATELADA BATCH E SEMI BATCH REACTOR Q(t), C e (t) V0V0 V(t) Balanço de massa do elemento CBalanço de massa do elemento C Elemento conservativo !!! Primeira Ordem !!!

REATORES EM BATELADA BATCH E SEMI BATCH REACTOR Q(t), C e (t) V0V0 V(t) Balanço de massa do elemento CBalanço de massa do elemento C Caso mais comum !!! Volume constante

REATORES DE MISTURA COMPLETA Q e (t), C e (t) V0V0 Q s (t), C(t) C(t)

REATORES DE MISTURA COMPLETA Característica PrincipalCaracterística Principal EquacionamentoEquacionamento Balanço de massa da fase líquidaBalanço de massa da fase líquida Balanço de massa do constituinte CBalanço de massa do constituinte C Q e (t), C e (t) V0V0 Q s (t), C(t) C(t)

REATORES DE MISTURA COMPLETA Balanço de massa do elemento CBalanço de massa do elemento C Cinética Química !!!! Q e (t), C e (t) V0V0 Q s (t), C(t) C(t)

REATORES DE MISTURA COMPLETA Balanço de massa do elemento CBalanço de massa do elemento C Q e (t), C e (t) V0V0 Q s (t), C(t) C(t) 0

REATORES DE MISTURA COMPLETA Balanço de massa do elemento CBalanço de massa do elemento C Q e (t), C e (t) V0V0 Q s (t), C(t) C(t)

REATORES DE MISTURA COMPLETA Balanço de massa do elemento CBalanço de massa do elemento C Q e (t), C e (t) V0V0 Q s (t), C(t) C(t)

REATORES DE MISTURA COMPLETA Balanço de massa do elemento CBalanço de massa do elemento C Q e (t), C e (t) V0V0 Q s (t), C(t) C(t) Ordem Zero Primeira Ordem

REATOR PISTONADO IDEAL L dx dy dz Q,C 0 Q,C

REATOR PISTONADO IDEAL Característica PrincipalCaracterística Principal EquacionamentoEquacionamento Balanço de massa da fase líquidaBalanço de massa da fase líquida Balanço de massa do constituinte CBalanço de massa do constituinte C L dx dy dz Q,C 0 Q,C

REATOR PISTONADO IDEAL Balanço de massa do elemento CBalanço de massa do elemento C Cinética Química !!!! L dx dy dz Q,C 0 Q,C

L dx dy dz Q,C 0 Q,C REATOR PISTONADO IDEAL Balanço de massa do elemento CBalanço de massa do elemento C

L dx dy dz Q,C 0 Q,C REATOR PISTONADO IDEAL Balanço de massa do elemento CBalanço de massa do elemento C

L dx dy dz Q,C 0 Q,C REATOR PISTONADO IDEAL Balanço de massa do elemento CBalanço de massa do elemento C 0

L dx dy dz Q,C 0 Q,C REATOR PISTONADO IDEAL Balanço de massa do elemento CBalanço de massa do elemento C 0

L dx dy dz Q,C 0 Q,C REATOR PISTONADO IDEAL Balanço de massa do elemento CBalanço de massa do elemento C Ordem Zero Primeira Ordem Segunda Ordem

REATORES E BALANÇO DE MASSA EQUAÇÕES BÁSICAS Batelada CFSTR PFR

REATORES E BALANÇO DE MASSA EQUAÇÕES BÁSICAS Projeto: Conhece-se C 0 e define-se C Calcula-se o volume do reator Operação: Conhece-se C 0 e o volume Calcula-se a concentração efluente

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK X X XX XX Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 10 moléculas de x20 moléculas de y Tempo igual a zero X X X X X X Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 8 moléculas de x 4 moléculas de y 16 moléculas de y 2 moléculas de x Tempo igual a  t

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK Tempo igual a  t X X X X X X Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 8 moléculas de x 4 moléculas de y 16 moléculas de y 2 moléculas de x dx

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK X X X X X X Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 8 moléculas de x 4 moléculas de y 16 moléculas de y 2 moléculas de x Tempo igual a  t

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK X X X X X X Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 8 moléculas de x 4 moléculas de y 16 moléculas de y 2 moléculas de x Tempo igual a  t

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK X X X X X X Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 8 moléculas de x 4 moléculas de y 16 moléculas de y 2 moléculas de x

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK CompostoTemperatura Coeficiente de difusão (cm 2 /s) Metanol em H 2 O 15 1, Etanol em H 2 O 15 1, Ácido acético em H 2 O 20 1, Etilbenzeno em H 2 O 20 8, CO 2 em ar 200,151

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK X X X X X X Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 8 moléculas de x 4 moléculas de y 16 moléculas de y 2 moléculas de x Tempo igual a  t Coeficiente de transferência de massa (L.T -1 )

TRANSFERÊNCIA DE MASSA ASPECTOS CONCEITUAIS Coeficiente de transferência de massa (L.T -1 ) A ocorrência do processo de transferência de massa está condicionada a existência de um gradiente de concentração !!!

TRANSFERÊNCIA DE MASSA ASPECTOS CONCEITUAIS Coeficiente de transferência de massa (L.T -1 ) Quanto maior for este gradiente de concentração maior será a transferência de massa !!!

TRANSFERÊNCIA DE MASSA ASPECTOS CONCEITUAIS Coeficiente de transferência de massa (L.T -1 ) O processo de transferência de massa está diretamente relacionado a grandeza de . Quanto maior este, maior é a taxa de transferência de massa !!!

REATORES HETEROGÊNEOS EXEMPLO DE APLICAÇÃO REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Objetivo: Equacionamento da evolução da concentração efluente C com o tempo Reator em batelada Volume conhecido C s =concentração de partículas d p =diâmetro das partículas Transferência de massa (Lei de Fick) C

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Volume de controle macroscópico C Volume de controle microscópico C C*C* xx

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Volume de controle macroscópico C Volume de controle microscópico C C*C* xx

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Volume de controle macroscópico C Volume de controle microscópico C C*C* xx

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Volume de controle macroscópico C Volume de controle microscópico C C*C* xx

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Volume de controle macroscópico C Volume de controle microscópico C C*C* xx

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Volume de controle macroscópico C Volume de controle microscópico C C*C* xx Quanto maior o gradiente de concentração, maior a TTM. Quanto maior , maior a TTM Quanto maior a relação A i /V, maior a TTM

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Volume de controle macroscópico C Volume de controle microscópico C C*C* xx

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Volume de controle macroscópico C Volume de controle microscópico C C*C* xx

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Volume de controle macroscópico C Volume de controle microscópico C C*C* xx

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Volume de controle macroscópico C Volume de controle microscópico C C*C* xx

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Volume de controle macroscópico C Volume de controle microscópico C C*C* xx

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE REATOR EM BATELADA

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE C C*C* xx

C C*C* xx

Volume de controle macroscópico C Volume de controle microscópico Área interfacial específica !!! Unidade (m 2 /m 3 )

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Volume de controle macroscópico C Volume de controle microscópico

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Volume de controle macroscópico C Volume de controle microscópico

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE

Volume de controle macroscópico C Volume de controle microscópico Reator homogêneo !!!

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Volume de controle macroscópico C Volume de controle microscópico  = cm/s P/V= dyn/(cm 2.s)  l = g/cm 3  l = g/(cm.s)

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Volume de controle macroscópico C Volume de controle microscópico 0,01 < Pe < 100 Pe >>> 1 Pe <<< 1

REATORES HETEROGÊNEOS EXEMPLO DE APLICAÇÃO REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Objetivo: Equacionamento da evolução da concentração efluente C com o tempo Reator de mistura completa em série Volume conhecido C s =concentração de partículas d p =diâmetro das partículas Transferência de massa (Lei de Fick) C Q,C 0 Q,C

C Q,C 0 Q,C REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Volume de controle macroscópico Volume de controle microscópico C C*C* xx

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE C C*C* xx C Q,C 0 Q,C Volume de controle macroscópico Volume de controle microscópico

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE C C*C* xx C Q,C 0 Q,C Volume de controle macroscópico Volume de controle microscópico

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE C C*C* xx C Q,C 0 Q,C Volume de controle macroscópico Volume de controle microscópico

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE C C*C* xx C Q,C 0 Q,C Volume de controle macroscópico Volume de controle microscópico

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE C C*C* xx C Q,C 0 Q,C Volume de controle macroscópico Volume de controle microscópico 0

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE C C*C* xx C Q,C 0 Q,C Volume de controle macroscópico Volume de controle microscópico 0

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE C C*C* xx C Q,C 0 Q,C Volume de controle macroscópico Volume de controle microscópico

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE C C*C* xx C Q,C 0 Q,C Volume de controle macroscópico Volume de controle microscópico

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE C C*C* xx C Q,C 0 Q,C Volume de controle macroscópico Volume de controle microscópico

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE REATOR DE MISTURA COMPLETA

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE C C*C* xx

C C*C* xx

Área interfacial específica !!! Unidade (m 2 /m 3 ) C Q,C 0 Q,C Volume de controle macroscópico Volume de controle microscópico

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE C Q,C 0 Q,C Volume de controle macroscópico Volume de controle microscópico

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE C Q,C 0 Q,C Volume de controle macroscópico Volume de controle microscópico

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE REATOR DE MISTURA COMPLETA

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE

Reator homogêneo !!! C Q,C 0 Q,C Volume de controle macroscópico Volume de controle microscópico

REATORES HETEROGÊNEOS REAÇÕES CATALIZADAS EM SUPERFÍCIE Reator homogêneo !!! C Q,C 0 Q,C Volume de controle macroscópico Volume de controle microscópico

COEFICIENTES DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA ASPECTOS CONCEITUAIS Coeficiente de transferência de massa (L.T -1 ) O valor de  é função do coeficiente de difusão molecular do composto na fase líquida que, por sua vez, é função da natureza do composto e das características da fase líquida !!! C C*C* xx

COEFICIENTES DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA ASPECTOS CONCEITUAIS Coeficiente de transferência de massa (L.T -1 ) O valor de  é inversamente proporcional a x, sendo sua grandeza determinada pelas condições hidrodinâmicas do escoamento na interface !!! C C*C* xx

COEFICIENTES DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA ASPECTOS CONCEITUAIS Coeficiente de transferência de massa (L.T -1 ) O valor de  pode, parcialmente, ser controlado do ponto de vista de engenharia diminuindo-se o valor de x, mediante alteração das condições hidrodinâmicas do escoamento na interface !!! C C*C* xx

COEFICIENTES DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA ASPECTOS CONCEITUAIS Coeficiente de transferência de massa (L.T -1 ) O cálculo de  é altamente empírico, havendo inúmeras equações empíricas propostas na literatura para diferentes sistemas hidrodinâmicos !!! C C*C* xx

Muito Obrigado !!!