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reatores quimicos e simulaçao de processos ( aspen plus)
Tipologia: Notas de estudo
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Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado para obtenção do grau de engenheiro químico, no curso de engenharia química da Universidade Federal do Pampa, UNIPAMPA.
Orientadora: Prof.ª Dr.ª Ana Rosa Costa Muniz
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“A primeira etapa para o conhecimento é saber que somos ignorantes” Sócrates (470-399 a.C.)
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Um simulador de processos químicos permite prever o comportamento de um equipamento ou de uma Planta química de forma ágil e econômica utilizando modelos termodinâmicos intrínsecos, balanços de massa, de energia, de quantidade de movimento, equilíbrio químico e de fases, taxas de reação e curvas do comportamento de equipamentos específicos. No presente trabalho será utilizado o simulador Aspen Plus 11.1 para simular diferentes configurações de reatores contínuos, CSTR e PFR, presentes em um módulo didático de reatores a ser adquirido pela UNIPAMPA. Serão analisadas combinações em série e em paralelo visando ou aumentar o grau de conversão de um reagente ou a quantidade do produto desejado por meio de uma análise de sensitividade paramétrica. As variáveis a serem manipuladas serão a vazão de alimentação e o volume reacional total. Os resultados obtidos por simulação serão validados experimentalmente no módulo didático de reatores e poderão servir para um futuro scale up 1 para planta piloto ou industrial. .
Palavras-chave: Combinação de reatores; Aspen Plus; Simulação.
Permite passar de uma escala de laboratório ou piloto de desenvolvimento, para uma escala ampliada de produção. Informação retirada de: SOLTERMANN, Omar E. Condicionantes Socio-técnicos da Extrapolação (Scale-UP) de Processos Químicos. Campinas: 1992.
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TABELA 2.1: Ícones e recursos do reator CSTR.............................................................. 27 TABELA 6.1: Cronograma de desenvolvimento do trabalho de conclusão de curso II... 37
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a - Coeficiente Estequiométrico do Reagente A A – Fator de Freqüência ou Fator Pré-exponencial b - Coeficiente Estequiométrico do Reagente B C (^) A – Concentração do Reagente A C (^) A 0 – Concentração do Inicial do Reagente A C B – Concentração do Reagente B dC A – Diferencial de Concentração dX (^) A– Diferencial de Conversão
e – Exponencial Ea – Energia de Ativação F A – Vazão Molar da Espécie A FA 0 – Vazão Molar de Entrada da Espécie A k – Constante de Velocidade de Reação N (^) A– Número de mols da Espécie A p - Coeficiente Estequiométrico do Produto P p (^) A– Pressão Parcial do Componente A p B – Pressão Parcial do Componente B
R – Constante dos Gases Ideais RCSTR – Ícone do Simulador para um Reator Continuo de Tanque Agitado RPlug – Ícone do Simulador para um Reator Tubular de Fluxo Pistonado T – Temperatura V – Volume do Reator v 0 –^ Vazão Volumétrica de Entrada X – Conversão X (^) A– Conversão do Reagente A -r (^) A – Taxa ou Velocidade de Reação τ – Tempo espacial ΔGr – Variação da Energia Livre de Gibbs Reacional
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termodinâmico mais adequado. Os simuladores comerciais trazem uma grande quantidade de pacotes termodinâmicos em suas bibliotecas, sendo a escolha realizada de acordo com a necessidade da planta industrial. Os simuladores de processo permitem ainda estudos de hidráulica e limites hidráulicos, além de permitir estudos de estruturas de controle, controladores avançados e analisadores virtuais. Existem simuladores estacionários e dinâmicos. Simuladores estáticos ou estacionários são aqueles que utilizam equações de balanços mássicos e energéticos sem o termo de acúmulo. Um simulador dinâmico é capaz de prever o comportamento da unidade durante a transição de um estado estacionário para outro.
1.1 Objetivo Geral
Montar e realizar experimentos em diferentes combinações de reatores contínuos confrontando resultados obtidos por simulação computacional com dados experimentais para prever variações de conversão e de rendimento em reações homogêneas.
1.1.1 Objetivos Específicos
1.2 Justificativa
A simulação de processos se faz necessária pelo baixo custo, rapidez e pela confiabilidade dos resultados obtidos, podendo validar os resultados simulados com os valores experimentais, além de possibilitar o scale up para plantas piloto ou reatores industriais.
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1.3 Organização do Trabalho de Conclusão de Curso 1
O Trabalho de Conclusão de Curso 1 foi dividido em capítulos: O capítulo 1 foi chamado de Introdução Neste capitulo, foi ressaltada a importância da simulação de processos químicos, suas inúmeras vantagens e os benefícios que a mesma traz quando comparada aos métodos experimentais. Ainda no capitulo da Introdução foram ressaltados o objetivo geral, os objetivos específicos e a justificativa de escolha da temática. Estes itens citados foram dispostos na forma de subitem da introdução. O capítulo 2 foi nomeado como Revisão Teórica. Neste capítulo foram relacionadas definições inerentes aos processos químicos, bem como as características e propriedades referentes a reatores químicos, além de informações introdutórias do simulador de processos Aspen Plus. O capitulo 3 nomeou-se Metodologia, nele esta presente a descrição progressiva do andamento do trabalho de conclusão 1. O capitulo 4 chamou-se de Resultados e Discussão. Nele foram abordados a interface do simulador Aspen Plus, suas características e suas opções de funcionamento. Trata-se basicamente, da explanação das ferramentas contidas no simulador que serão utilizadas na sequência do Trabalho de Conclusão de Curso 1. O capítulo 5 teve o nome de Cronograma, pois nele estão contidas as datas e os tópicos a serem abordados no Trabalho de Conclusão de Curso 2. Esse capítulo poderá sofrer alterações devido ao não conhecimento das datas por parte do autor e da orientadora do presente trabalho em relação à entrega dos módulos de reatores contínuos, que serão adquiridos pela Universidade Federal do Pampa. Essas possíveis alterações estarão contidas no cronograma do Trabalho de Conclusão de Curso 2 se necessárias. O capítulo 6 foi chamado de Conclusão. Neste capítulo são colocadas algumas considerações em relação ao Trabalho de Conclusão de Curso 1. O tópico Referências Bibliográficas é onde foram relatodas todas as fontes citadas e pesquisadas no Trabalho de Conclusão de Curso 1.
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De acordo com Russell (1992), o mecanismo de uma reação consiste na descrição detalhada da sequência de etapas individuais que conduzem os reagentes aos produtos. O conhecimento dos mecanismos das reações provém do estudo das velocidades de reação e de como são influenciadas por vários fatores. Em geral, a velocidade de uma reação é determinada pelas propriedades dos reagentes, pelas concentrações dos reagentes e pela temperatura. A velocidade pode ser influenciada ainda, pelas concentrações de outras substâncias que não são os reagentes como os catalisadores e pelas áreas das superfícies em contato com os reagentes.
2.2 Energia de Ativação (Ea)
Energia de ativação é a energia mínima necessária para que a reação ocorra. A energia que uma molécula possui depende da natureza da molécula. Se a molécula é um único átomo, ela possui energia cinética devida a sua movimentação. Ela também possui energia adicional se alguns de seus elétrons estão em um estado de maior energia que o estado normal, chamado de estado original. Um átomo ou molécula é dita como estando no estado excitado, especificamente um estado eletrônico excitado, quando ela possui esta energia adicional. Moléculas, as quais contêm mais de um átomo, podem possuir, além da energia cinética e a energia dos elétrons excitados, energia vibracional devida a movimentação dos átomos dentro da molécula relativa aos outros átomos, e as ligações covalentes mantendo-os no lugar 2. Segundo Souza e Farias (2008), a fim de reagir, moléculas no estado inicial devem adquirir uma energia adicional, descrita como energia de ativação ou energia livre de ativação; a reação então e apenas nesta condição se desenvolverá espontaneamente para o estado final o qual possui energia menor que a do estado inicial. A energia livre exigida para ativação é retornada assim que a reação ocorre para dar produtos de menor energia. O fator de freqüência A não é adimensional. Tem as mesmas dimensões da constante de velocidade. Portanto, suas dimensões variam com a ordem de reação. Embora dependa ligeiramente da temperatura, este efeito pode ser desprezado para pequenos intervalos de temperatura.
Informação retirada de: Depto. de Ciências Exatas, ESALQ/USP: Cinética Química. Publicação Destinada ao Ensino de Ciências-Química - 28/3/2002. Disponível em: . Acesso em: 02 jul. 2011.
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2.3 Equação de Arrhenius
A equação de Arrhenius pode ser usada para obter tanto o valor do coeficiente pré- exponencial A como também o valor da energia de ativação Ea, desde que a constante da velocidade de uma reação possa ser medida em diferentes temperaturas. Tanto A como Ea são valores constantes para uma dada reação química. A equação de Arrhenius pode ser explicada em termos de uma simples teoria cinética. Ea representa a barreira de energia para uma reação química, e e-Ea/RT^ representa a proporção de moléculas que possuem energia maior que a energia de ativação e portanto capazes de transpor a barreira de energia. À medida que a temperatura aumenta e-Ea/RT^ também aumenta. (SMITH,1991).
A energia de ativação de uma reação é importante, pois determina a influência da temperatura na velocidade. É a energia mínima que as moléculas reagentes, que colidem, devem ter para a formação dos produtos. A grandeza da energia de ativação pode ser determinada a partir da curva de Arrhenius. ( RUSSEL, 1992, p. 61).
A equação 2.1 é a equação de Arrhenius, sugerida pela primeira vez pelo químico sueco Svante Arrhenius e é usada normalmente na forma logarítmica: ln k = ln A – (Ea/R) (1/T) (2.1) onde: A = fator pré exponencial ou fator de freqüência Ea = energia de ativação, ( J/mol) ou (cal/mol) R = constante universal dos gases (8,314 J/mol.K) T = temperatura absoluta A constante de velocidade de reação k, não é na realidade uma constante, é apenas independente das concentrações envolvidas na reação. A quantidade k é chamada tanto de velocidade especifica de reação quanto de constante de velocidade ( FOGLER, 2000, p.72). A constante de velocidade é fortemente dependente da temperatura, porém, em reações gasosas, depende do catalisador, quando utilizado, e pode ser uma função da pressão total.
“De acordo com a equação de Arrhenius, o valor da constante de velocidade k aumenta com a temperatura. Isto significa que um aumento da temperatura deve produzir um aumento de velocidade de reação”. (Russell, 1992, p. 48).
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r (^) A kCAaCB^ b (2.4) Para reagentes em fase gasosa a taxa deve ser expressa em função das pressões parciais dos reagentes:
r (^) A kpAapB^ b (2.5)
2.5 Tempo espacial (τ)
O tempo espacial é uma medida apropriada para desempenho de reatores descontínuos, que relaciona um volume de alimentação correspondente a um volume de reator em um espaço de tempo determinado. De acordo com Levenspiel (2000), a mudança de parâmetros como a temperatura, a pressão e o estado (gás, liquido ou sólido) no qual o volume do material que é alimentado no reator influenciará diretamente no tempo espacial. O tempo espacial pode ser descrito através do produto da concentração inicial com o volume do reator pela vazão molar de alimentação dos reagentes conforme mostrado na equação abaixo:
0
0 A
A F
Segundo Fogler (2009), em alguns casos é conveniente medir a vazão volumétrica de
alimentação em algum estado padrão, principalmente se o reator estiver operando em diversas
temperaturas, nesse caso utiliza-se a relação da equação (2.7) para encontrar o tempo
espacial.
v 0
2.6 Conversão (X (^) A)
Segundo Levenspiel (2000), para conhecer a conversão de uma espécie química A é necessário escolher um dos reagentes, geralmente o reagente limitante , como base de cálculo e relacionar a essa base outras espécies envolvidas na reação. Conhecendo-se as relações estequiométricas e as equações de projeto é possível estimar a conversão. Em sistemas com escoamento contínuo, a conversão XA é uma função do volume do
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reator. Em sistemas operando em estado estacionário a vazão molar de uma espécie A, menos a taxa de reação da espécie A, dentro do reator, é igual a vazão molar da espécie A que sai do reator, conforme visto na equação 2.8: FA FA 0 ( 1 XA) (2.8)
2.7 Termodinâmica das Reações Químicas
Conforme Levenspiel (2000), a influência da temperatura nas reações é determinada pela energia de ativação e pelo nível de temperatura da reação. Isto se traduz em realidade, pois, a partir da equação de Arrhenius, pode-se gerar um gráfico de ln k versus 1/T, que fornece uma linha reta, com uma grande inclinação para valores altos de Ea e uma pequena inclinação para valores baixos de Ea. Reações com altos valores de energia de ativação são muito dependentes da temperatura, enquanto que reações com baixos valores de energia de ativação são relativamente independentes da temperatura. Qualquer reação química é muito mais dependente da temperatura para valores baixos de temperatura do que para valores altos, o fator de freqüência não afeta a dependência da temperatura.
Cada uma do grande número de reações químicas possíveis pode ser conduzida de diversas formas, e cada reação realizada de uma forma particular é acompanhada por um efeito térmico específico. A organização e apresentação de todos os efeitos térmicos possíveis para todas as reações possíveis é impossível. Consequentemente, calculamos os efeitos térmicos das reações conduzidas de diversas formas a partir de dados para as reações realizadas de uma forma padrão. Isso reduz os dados necessários a uma quantidade mínima. (SMITH, VAN NESS, ABBOTT, 2007, p.101).
Segundo FELDER e ROUSSEAU (2005), o calor associado a uma reação química especifica depende da temperatura dos reagentes e dos produtos, a escolha de uma base de cálculos consistente para a manipulação dos efeitos térmicos em reações se torna mais facilmente calculada quando os produtos e os reagentes estão na mesma temperatura. O texto referente a balanços de massa e balanços de energia é baseado em LEVENSPIEL, 2000.
2.8 Balanços de Massa e Energia
No estudo de transformações químicas industriais devem ser considerados tanto o
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