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 o reator isotérmico com temperatura de 316,7 K.
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|.
Reatores CSTR e PFR
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 PFR
Substitua o CSTR da última simulação por um PFR, considere uma variação no
volume de 0,05 e refaça os itens a e b