Simuladores de Processos: Reatores Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira

Reatores Os simuladores de processos mais comuns, apresentam tipos diferentes de reatores, que devem ser utilizados dependendo do problema em questão. Os tipos de reatores mais comuns nos simuladores são os reatores de conversão, de equilíbrio, de Gibbs, CSTR e PFR. A seguir serão apresentados exemplos ilustrativos da simulação desses reatores no simulador de processos DWSIM. Reator de conversão Acrilonitrila é produzida por uma reação envolvendo propileno, amônia e oxigênio, representada pela reação química: 2 C3H6 + 2 NH3 + 3 O2 → 2 C3H3N + 6 H2O Considere uma corrente de alimentação a 693K e 200000Pa com 94 mol/s de propileno, 897 mol/s de ar (188 mol/s de oxigênio + 700 mol/s de nitrogênio + 9 mol/s de argônio) e 113 mol/s de amônia em um reator isotérmico (693K, com queda de pressão de 10300 kPa) capaz de obter 80% de conversão do reagente limitante. Simule o reator para essas condições.

Reator de conversão Reator de conversão 1) Abra o DWSIM e adicione os componentes: acrilonitrila, propileno, oxigênio de nitrogênio, argônio, amônia e água. Escolha UNIQUAC e loops_aninhados (ELV). 2) Em |Ferramentas|, selecione o |Gerenciador de Reações|.

Reator de conversão Reator de conversão 3) Clique em Conversão e inclua apenas os compostos envolvidos na reação: 2 C3H6 + 2 NH3 + 3 O2 → 2 C3H3N + 6 H2O 4) Adicione os coeficientes estequiométricos com valores negativos para os reagentes e positivos para os produtos. E selecione o componente base (propileno – limitante).

Reator de conversão Reator de conversão 5) Adicione o reator de conversão, a corrente de alimentação, de energia, de vapor e de líquido e configure o reator como na Figura.

Reator de equilíbrio Reatores de equilíbrio e de Gibbs Estime as composições no equilíbrio a 1000K e 100000Pa de um sistema gasoso contendo os componentes apresentados nas seguintes reações: CH4+H2OCO+3H2 CH4+2H2OCO2+4H2 Considere no estado inicial a presença de 2 mol de CH4 e 3 mol de H2O. Utilize os reatores de conversão e de Gibbs e compare as respostas obtidas. Resolução: 1)Abra o DWSIM; 2) Adicione os componentes, as reações químicas de equilíbrio (clicando em |Equlíbrio| para cada reação, coloque ambas as reações em um único pacote de reações). Peça para calcular a partir da energia livre de Gibbs para ambas as reações. 3) Adicione o reator de equilíbrio, as correntes de matéria e de energia e simule a resposta de saída do reator 4) Adicione (no mesmo fluxograma) um reator de Gibbs, suas correntes de matéria e de energia, simule o comportamento e compare com o do reator de equilíbrio.

Reator de equilíbrio Reatores de equilíbrio e de Gibbs Resultados esperados:

Reator de equilíbrio Reatores de equilíbrio e de Gibbs Resultados esperados:

Reator CSTR Reator CSTR Para exemplificar a simulação utilizando reatores CSTR, consideremos uma das reações de esterificação utilizadas para a obtenção de biodiesel, a esterificação do ácido oleico (presente no trioleato de glicerol - OOO), utilizando etanol (Et) em meio contendo hidróxido de sódio para a formação do oleato de etila (EtO). Considere a seguinte reação reversível: 3 Et + OOO  glicerol + 3 EtO A cinética de reação de ordem direta (r) e reversa (r’) obedecem às seguintes equações: r=k*[Et]*[OOO] r'=k’*[glicerol] Sendo: r=1,9647*10-5*exp[-34,208509/(RT)] (mol/m³s) r'=2,372*10-7*exp[-6,613448/(RT)] (mol/m³s)

Reator CSTR Reator CSTR Considere a composição molar da alimentação a 316,7 K e 1013125 Pa (considerando o pacote de componentes Biodiesel do DWSIM): Water_BD=0,001; Ethanol_BD=0,829; NaOH_BD=0,031; Glycerol_BD=0,001; OOO=0,137; EtO=0,001. Obs. A utilização de quantidades insignificantes dos produtos de reação na alimentação (valores iguais a 0,001, nesse exercício) é necessária para a convergência da simulação no DWSIM. a) Simule a composição de saída de um CSTR de 1m³ para um fluxo de alimentação de 2 mol/s, considere reator isotérmico a 348,15K.

Reator CSTR Reator CSTR a) Abra o DWSIM, adicione os componentes (Water_BD, Ethanol_BD, NaOH_BD, Glycerol_BD, OOO e EtO) . Escolha o pacote de propriedades NRTL e o algoritmo flash Loops aninhados ELV. Clique em Ferramentas e abra o Gereciador de Reações e configure a reação cinética como na figura.

Reator CSTR Reator CSTR a) Crie uma corrente de matéria para a alimentação (F) e configure. Water_BD=0,001; Ethanol_BD=0,829; NaOH_BD=0,031; Glycerol_BD=0,001; OOO=0,137; EtO=0,001; T=317,6 K; P=1013125 Pa; F= 2 mol/s. Adicione o reator CSTR e configure como na Figura. Execute a simulação clicando com o botão direito do mouse sobre o reator escolhendo a opção |Recalcular|.

Reator CSTR Reator CSTR b) Mantendo o fluxo molar da alimentação em 2 mol/s , plote um gráfico de fração molar de EtO versus Volume de reator (V= 1; 2; 3;...; 9; 10 m³).

Reator CSTR Reator PFR Substitua o CSTR da última simulação por um PFR e refaça os itens A e B (mude a temperatura na alimentação para 348,15 K e zere a corrente de energia para a simulação convergir).