O que são reatores químicos? Tipos de reatores químicos

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2024-01-02 14:01

Uma reação química é um processo que leva à transformação de reagentes. Caracteriza-se por alterações que resultam em um ou mais produtos diferentes do original. As reações químicas são de natureza diferente. Depende do tipo de reagentes, da substância obtida, das condições e tempo de síntese, decomposição, deslocamento, isomerização, ácido-base, redox, processos orgânicos, etc.

Reatores químicos são recipientes projetados para realizar reações a fim de produzir o produto final. Seu design depende de vários fatores e deve fornecer o máximo de saída da maneira mais econômica.

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Existem três modelos básicos principais de reatores químicos:

• Periódico.
• Agitação contínua (CPM).
• Reator de fluxo de pistão (PFR).

Estes modelos básicos podem ser modificados para atender aos requisitos do processo químico.

Reator Batch

As unidades químicas deste tipo são utilizadas em processos descontínuos com baixos volumes de produção, longos tempos de reação ou onde se obtém melhor seletividade, como em alguns processos de polimerização.

Para isso, por exemplo, são usados recipientes de aço inoxidável, cujo conteúdo é misturado com lâminas internas de trabalho, bolhas de gás ou usando bombas. O controle de temperatura é feito usando camisas de troca de calor, resfriadores de irrigação ou bombeamento através de um trocador de calor.

Reatores descontínuos são usados atualmente nas indústrias química e de processamento de alimentos. Sua automação e otimização criam dificuldades, pois é necessário combinar processos contínuos e discretos.

Reatores químicos semi-lote combinam operação contínua e em lote. Um biorreator, por exemplo, é carregado periodicamente e emite dióxido de carbono constantemente, que deve ser removido continuamente. Da mesma forma, na reação de cloração, quando o gás cloro é um dos reagentes, se não for introduzido continuamente, a maior parte volatilizará.

Para garantir grandes volumes de produção, são utilizados principalmente reatores químicos contínuos ou tanques metálicos com agitador ou fluxo contínuo.

Reator agitado contínuo

Reagentes líquidos são alimentados em tanques de aço inoxidável. Para garantir a interação adequada, eles são misturados pelas lâminas de trabalho. Assim, emEm reatores deste tipo, os reagentes são continuamente alimentados no primeiro tanque (vertical, aço), depois entram nos subsequentes, enquanto são misturados completamente em cada tanque. Embora a composição da mistura seja homogênea em cada tanque individual, no sistema como um todo a concentração varia de tanque para tanque.

A quantidade média de tempo que uma quantidade discreta de reagente gasta em um tanque (tempo de residência) pode ser calculada simplesmente dividindo o volume do tanque pela vazão volumétrica média através dele. A porcentagem de conclusão esperada da reação é calculada usando cinética química.

Os tanques são feitos de aço inoxidável ou ligas, assim como com revestimento de esm alte.

Alguns aspectos importantes do NPM

Todos os cálculos são baseados na mistura perfeita. A reação prossegue a uma taxa relacionada à concentração final. No equilíbrio, a vazão deve ser igual à vazão, caso contrário o tanque transbordará ou esvaziará.

Geralmente é rentável trabalhar com vários HPMs seriais ou paralelos. Tanques de aço inoxidável montados em cascata de cinco ou seis unidades podem se comportar como um reator plug flow. Isso permite que a primeira unidade opere em uma concentração de reagente mais alta e, portanto, uma taxa de reação mais rápida. Além disso, vários estágios de HPM podem ser colocados em um tanque de aço vertical, em vez de os processos ocorrerem em diferentes contêineres.

Na versão horizontal, a unidade multiestágio é seccionada por divisórias verticais de várias alturas pelas quais a mistura flui em cascata.

Quando os reagentes são mal misturados ou diferem significativamente em densidade, um reator vertical multi-estágio (revestido ou aço inoxidável) é usado em modo contracorrente. Isso é eficaz para realizar reações reversíveis.

A pequena camada pseudo-líquida é totalmente misturada. Um grande reator de leito fluidizado comercial tem uma temperatura substancialmente uniforme, mas uma mistura de fluxos miscíveis e deslocados e estados de transição entre eles.

Reator químico plug-flow

RPP é um reator (inoxidável) no qual um ou mais reagentes líquidos são bombeados através de uma ou mais tubulações. Eles também são chamados de fluxo tubular. Pode ter vários canos ou tubos. Os reagentes entram constantemente por uma extremidade e os produtos saem pela outra. Os processos químicos ocorrem à medida que a mistura passa.

Em RPP, a taxa de reação é gradiente: na entrada é muito alta, mas com uma diminuição na concentração de reagentes e um aumento no conteúdo de produtos de saída, sua taxa diminui. Normalmente, um estado de equilíbrio dinâmico é alcançado.

As orientações do reator horizontal e vertical são comuns.

Quando a transferência de calor é necessária, tubos individuais são encamisados ou um trocador de calor casco e tubo é usado. Neste último caso, os produtos químicos podem sertanto no casco quanto no tubo.

Recipientes metálicos de grande diâmetro com bicos ou banhos são semelhantes ao RPP e são amplamente utilizados. Algumas configurações usam fluxo axial e radial, vários invólucros com trocadores de calor embutidos, posição horizontal ou vertical do reator e assim por diante.

O recipiente de reagente pode ser preenchido com sólidos catalíticos ou inertes para melhorar o contato interfacial em reações heterogêneas.

É importante no RPP que os cálculos não levem em conta a mistura vertical ou horizontal - é o que se entende pelo termo "plug flow". Os reagentes podem ser introduzidos no reator não apenas pela entrada. Assim, é possível obter uma maior eficiência do RPP ou reduzir seu tamanho e custo. O desempenho do RPP é geralmente superior ao do HPP do mesmo volume. Com valores iguais de volume e tempo em reatores de pistão, a reação terá um percentual de conclusão maior do que em unidades de mistura.

Equilíbrio Dinâmico

Para a maioria dos processos químicos, é impossível atingir 100% de conclusão. Sua velocidade diminui com o crescimento deste indicador até o momento em que o sistema atinge o equilíbrio dinâmico (quando a reação total ou mudança de composição não ocorre). O ponto de equilíbrio para a maioria dos sistemas está abaixo de 100% de conclusão do processo. Por esta razão, é necessário realizar um processo de separação, como a destilação, para separar os reagentes ou subprodutos restantes doalvo. Esses reagentes às vezes podem ser reutilizados no início de um processo como o processo Haber.

Aplicação do PFA

Reatores de fluxo de pistão são usados para realizar a transformação química de compostos à medida que se movem através de um sistema tubular para reações rápidas, homogêneas ou heterogêneas em larga escala, produção contínua e processos de alta geração de calor.

Um RPP ideal tem um tempo de residência fixo, ou seja, qualquer líquido (pistão) que entra no tempo t sai no tempo t + τ, onde τ é o tempo de residência na instalação.

Reatores químicos deste tipo apresentam alto desempenho por longos períodos de tempo, além de excelente transferência de calor. As desvantagens dos RPPs são a dificuldade em controlar a temperatura do processo, o que pode levar a flutuações de temperatura indesejadas, e seu custo mais elevado.

Reatores Catalíticos

Embora esses tipos de unidades sejam frequentemente implementados como RPP, eles requerem manutenção mais complexa. A velocidade de uma reação catalítica é proporcional à quantidade de catalisador em contato com os produtos químicos. No caso de um catalisador sólido e reagentes líquidos, a taxa de processos é proporcional à área disponível, a entrada de produtos químicos e a retirada de produtos e depende da presença de mistura turbulenta.

Uma reação catalítica é, de fato, muitas vezes em várias etapas. Não somenteos reagentes iniciais interagem com o catalisador. Alguns produtos intermediários também reagem com ele.

O comportamento dos catalisadores também é importante na cinética deste processo, principalmente em reações petroquímicas de alta temperatura, pois são desativados por sinterização, coqueificação e processos similares.

Aplicando novas tecnologias

RPP são usados para conversão de biomassa. Reatores de alta pressão são usados nos experimentos. A pressão neles pode chegar a 35 MPa. A utilização de vários tamanhos permite variar o tempo de residência de 0,5 a 600 s. Para atingir temperaturas acima de 300 °C, reatores aquecidos eletricamente são usados. A biomassa é fornecida por bombas HPLC.

Nanopartículas de aerossol RPP

Existe um interesse considerável na síntese e aplicação de partículas nanométricas para diversos fins, incluindo ligas de alta liga e condutores de filme espesso para a indústria eletrônica. Outras aplicações incluem medições de suscetibilidade magnética, transmissão de infravermelho distante e ressonância magnética nuclear. Para estes sistemas é necessário produzir partículas de tamanho controlado. Seu diâmetro geralmente está na faixa de 10 a 500 nm.

Devido ao seu tamanho, formato e alta área superficial específica, essas partículas podem ser utilizadas para produzir pigmentos cosméticos, membranas, catalisadores, cerâmicas, reatores catalíticos e fotocatalíticos. Exemplos de aplicação para nanopartículas incluem SnO₂ para sensoresmonóxido de carbono, TiO₂ para guias de luz, SiO_{2 para dióxido de silício coloidal e fibras ópticas, C para cargas de carbono em pneus, Fe para materiais de gravação, Ni para baterias e, em menor grau, paládio, magnésio e bismuto. Todos esses materiais são sintetizados em reatores de aerossol. Na medicina, as nanopartículas são usadas para prevenir e tratar infecções de feridas, em implantes ósseos artificiais e para imagens cerebrais.}

Exemplo de produção

Para obter partículas de alumínio, um fluxo de argônio saturado com vapor metálico é resfriado em um RPP com diâmetro de 18 mm e comprimento de 0,5 m a partir de uma temperatura de 1600 °C a uma taxa de 1000 °C/s. À medida que o gás passa pelo reator, ocorre a nucleação e o crescimento das partículas de alumínio. A vazão é 2 dm3/min e a pressão é 1 atm (1013 Pa). À medida que se move, o gás esfria e fica supersaturado, o que leva à nucleação de partículas como resultado de colisões e evaporação de moléculas, repetidas até que a partícula atinja um tamanho crítico. À medida que se movem através do gás supersaturado, as moléculas de alumínio se condensam nas partículas, aumentando seu tamanho.