tanque tipo reator

Reatores Industriais

Numa definição genérica, reator químico é um recipiente onde ocorrem reações químicas, transferências de massa e calor.

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 obtíveis 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.[1]

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.[2]

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.

REATOR PERFEITAMENTE AGITADO (RPA)

Em um RPA, um ou mais fluidos reagentes são introduzidos em um reator tanque com um agitador enquanto o efluente do reator é removido. O agitador agita os reagentes para garantir a mistura adequada. Simplesmente dividindo o volume do tanque pela vazão volumétrica média através do tanque resulta no tempo de residência, ou a quantidade média de tempo na qual uma quantidade discreta de reagente passa dentro do tanque. Reatores RPA/CSTR também são chamados de reatores de concentração uniforme.

REATOR DE FLUXO EM PISTÃO (RFP ou RP)

Em um RFP, um ou mais reagentes fluidos são bombeados através de uma tubulação que é o próprrio reator. A reação química ocorre na medida em que os reagentes viajam através do RFP. Neste tipo de reator, a taxa de reação cria um cria um gradiente em relação à distância percorrida; na entrada do RFP, a taxa é muito alta, mas como as concentrações dos reagentes diminuem e a concentração do produto aumenta (ou as concentrações dos produtos aumentam) a taxa de reação diminui.

REATOR SEMI BATELADA

Um reator semi-batelada ou semi-contínuo é operado tanto com entradas e saídas em bateladas. Um fermentador, por exemplo, é carregado com uma batelada, que constantemente produz dióxido de carbono, que tem que ser removido de forma contínua. Analogamente, conduzir uma reação de gás com um líquido é geralmente difícil, pois há perdas do gás em bolhas. Portanto, uma alimentação contínua de gás é injetada na batelada de um líquido. Um exemplo de uma reação destas é a cloração.

REATOR CATALÍTICO

Embora reatores catalíticos sejam frequentemente implementados como reatores de fluxo em pistão, sua análise requer tratamento mais complexo. A taxa de uma reação catalítica é proporcional a quantidade de catalisador com os quais os reagentes entram em contato. Com um catalisador de fase sólida e reagentes de fase fluida, isto é proporcional a área exposta, ou área de contato, eficiência de difusão dos reagentes nele e saída dos produtos, e mistura turbulenta ou falta dela. Mistura perfeita não pode ser suposta. Além disso, uma marcha de uma reação catalítica é frequentemente multi-etapas com intermediários que são quimicamente ligadas ao catalisador; e como a ligação química ao catalisador PE também uma reação química.

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