ESCOLA POLITCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRULICA

ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA PHD 5745 – PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS I REATORES NÃO IDEAIS Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho

REATORES NÃO IDEAIS § § Introdução Definição Reatores Ideais - Revisão Conceito de Distribuição de Tempos de Residência (DTR) § DTR para Reatores Ideais

REATORES NÃO IDEAIS § § § § Curvas E(t) Curvas F(t) Modelos de reatores não ideais Reatores Pistonados com Fluxo Disperso Reatores de Mistura Completa em Série Estudos com Traçadores Exemplos de Aplicação

REATORES NÃO IDEAIS

REATORES NÃO IDEAIS

REATORES NÃO IDEAIS

REATORES NÃO IDEAIS

REATORES NÃO IDEAIS ETE Barueri

REATORES NÃO IDEAIS

REATORES NÃO IDEAIS

REATORES NÃO IDEAIS

REATORES NÃO IDEAIS § Definição de reator: Espaço físico delimitado, onde processos físicos, químicos ou biológicos são conduzidos em condições controladas, visando atingir um propósito definido

REATORES E BALANÇO DE MASSA Entrada Transporte de massa Saída Transporte de A+B C+D massa Sistemas naturais O objetivo é a sua descrição e antecipar mudanças ambientais em função de diferentes inputs Sistemas de engenharia O objetivo é estabelecer as bases para o seu projeto com objetivos definidos

REATORES IDEAIS § Reatores em batelada (batch e semi batch reactor) § Reatores de mistura completa (CFSTR) § Reator pistonado ideal (PFR)

REATORES EM BATELADA BATCH E SEMI BATCH REACTOR Q(t), Ce(t) V 0

REATORES EM BATELADA BATCH E SEMI BATCH REACTOR • Característica Principal Q(t), Ce(t) V 0 • Equacionamento • Balanço de massa da fase líquida • Balanço de massa do constituinte C

REATORES EM BATELADA BATCH E SEMI BATCH REACTOR • Balanço de massa do elemento C Q(t), Ce(t) V 0 Elemento conservativo !!! Primeira Ordem !!!

REATORES EM BATELADA BATCH E SEMI BATCH REACTOR • Balanço de massa do elemento C Q(t), Ce(t) V 0 Caso mais comum !!! Volume constante

REATORES DE MISTURA COMPLETA (CFSTR) Qe(t), Ce(t) C(t) Qs(t), C(t) V 0

REATORES DE MISTURA COMPLETA (CFSTR) • Característica Principal Qe(t), Ce(t) C(t) Qs(t), C(t) V 0 • Equacionamento • Balanço de massa da fase líquida • Balanço de massa do constituinte C

REATORES DE MISTURA COMPLETA (CFSTR) • Balanço de massa do elemento C Qe(t), Ce(t) C(t) Qs(t), C(t) V 0

REATOR PISTONADO IDEAL (PFR) L Q, C 0 Q, C dz dy dx

REATOR PISTONADO IDEAL (PFR) • Característica Principal L Q, C 0 Q, C dz dy dx • Equacionamento • Balanço de massa da fase líquida • Balanço de massa do constituinte C

REATOR PISTONADO IDEAL (PFR) • Balanço de massa do elemento C L Q, C 0 Q, C dz dy dx Ordem Zero Primeira Ordem Segunda Ordem

REATORES IDEAIS EQUAÇÕES BÁSICAS Batelada CFSTR PFR

REATORES NÃO IDEAIS Q, Ce Q, C C V 0

REATORES NÃO IDEAIS DEFINIÇÃO DE DTR § Definição de Distribuição de Tempos de Residência (DTR) Distribuição temporal que indica qual o tempo em que uma determinada molécula permanece no interior do reator

REATORES NÃO IDEAIS OBTENÇÃO DA DTR § O diagnóstico do comportamento hidráulico de um reator apenas pode ser obtido após a execução de um ensaio com traçadores

REATORES NÃO IDEAIS OBTENÇÃO DA DTR § Traçador: Características Básicas § Inerte § Características físicas iguais a da água § Fácil quantificação do ponto de vista analítico

REATORES NÃO IDEAIS OBTENÇÃO DA DTR § EXECUÇÃO DE UM ENSAIO DE OBTENÇÃO DE DTR § Injeção de traçador na forma de pulso § Injeção de traçador de forma contínua

REATORES NÃO IDEAIS OBTENÇÃO DA DTR Q Q Tempo

REATORES NÃO IDEAIS OBTENÇÃO DA DTR INJEÇÃO NA FORMA DE PULSO

REATORES NÃO IDEAIS OBTENÇÃO DA DTR INJEÇÃO NA FORMA DE PULSO

REATORES NÃO IDEAIS OBTENÇÃO DA DTR Q Q Tempo

REATORES NÃO IDEAIS OBTENÇÃO DA DTR INJEÇÃO CONTÍNUA

REATORES NÃO IDEAIS OBTENÇÃO DA DTR INJEÇÃO CONTÍNUA

REATORES IDEAIS - PFR INJEÇÃO NA FORMA DE PULSO Concentração L Q, C 0 Q, C dz dy dx Tempo

Concentração REATORES IDEAIS - PFR INJEÇÃO CONTÍNUA L Q, C 0 Q, C dz dy dx Tempo

REATORES IDEAIS - CFSTR INJEÇÃO NA FORMA DE PULSO Qe(t), Ce(t) Qs(t), C(t) 0 C(t) V 0 0

REATORES IDEAIS - CFSTR INJEÇÃO NA FORMA DE PULSO Qe(t), Ce(t) C(t) Qs(t), C(t) V 0

REATORES IDEAIS - CFSTR INJEÇÃO NA FORMA DE PULSO Qe(t), Ce(t) C(t) Qs(t), C(t) V 0

REATORES IDEAIS - CFSTR INJEÇÃO CONTÍNUA Qe(t), Ce(t) C(t) Qs(t), C(t) V 0 0

REATORES IDEAIS - CFSTR INJEÇÃO CONTÍNUA Qe(t), Ce(t) C(t) Qs(t), C(t) V 0

REATORES IDEAIS - CFSTR INJEÇÃO CONTÍNUA Qe(t), Ce(t) C(t) Qs(t), C(t) V 0

REATORES IDEAIS - CFSTR INJEÇÃO CONTÍNUA Qe(t), Ce(t) C(t) Qs(t), C(t) V 0

REATORES IDEAIS - CFSTR INJEÇÃO CONTÍNUA Qe(t), Ce(t) C(t) Qs(t), C(t) V 0

REATORES NÃO IDEAIS APRESENTAÇÃO DA CURVA E(t) § Deve apresentar propriedades análogas a uma função de densidade de probabilidade § Deve ser determinada a partir de ensaios com traçadores na forma de pulso e contínua § Pode ser analisada empregando-se técnicas de estatística e teoria de probabilidades

REATORES NÃO IDEAIS APRESENTAÇÃO DA CURVA E(t) Número !!!!!

REATORES NÃO IDEAIS APRESENTAÇÃO DA CURVA E(t)

REATORES NÃO IDEAIS APRESENTAÇÃO DA CURVA E(t)

REATORES NÃO IDEAIS APRESENTAÇÃO DA CURVA F(t)

REATORES NÃO IDEAIS APRESENTAÇÃO DA CURVA F(t)

REATORES NÃO IDEAIS OBTENÇÃO DAS CURVAS E(t) e F(t) Tempo

REATORES NÃO IDEAIS OBTENÇÃO DAS CURVAS E(t) e F(t) Tempo

REATORES IDEAIS - PFR APRESENTAÇÃO DA CURVA E(t)

REATORES IDEAIS - CFSTR APRESENTAÇÃO DA CURVA E(t)

REATORES IDEAIS - CFSTR APRESENTAÇÃO DA CURVA E(t)

REATORES NÃO IDEAIS INJEÇÃO NA FORMA DE PULSO

INFORMAÇÕES AUFERIDAS A PARTIR DA CURVA E(t) MÉDIA

INFORMAÇÕES AUFERIDAS A PARTIR DA CURVA E(t) PARA REATORES CFSTR

INFORMAÇÕES AUFERIDAS A PARTIR DA CURVA E(t) PARA REATORES CFSTR

INFORMAÇÕES AUFERIDAS A PARTIR DA CURVA E(t) PARA REATORES CFSTR

INFORMAÇÕES AUFERIDAS A PARTIR DA CURVA E(t) VARIANÇA

PARAMETRIZAÇÃO DA CURVA E(t)

PARAMETRIZAÇÃO DA CURVA E(t)

MODELOS DE REATORES NÃO IDEAIS § Reatores Pistonados com Fluxo Disperso § Reatores de Mistura Completa em Série

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK 10 moléculas de x X Tempo igual a zero Tempo igual a t 20 moléculas de y X X Y Y X X X Y Y Y 8 moléculas de x 4 moléculas de y Y Y 16 moléculas de y 2 moléculas de x X X Y Y Y Y

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK Tempo igual a t X 8 moléculas de x 4 moléculas de y 16 moléculas de y 2 moléculas de x X Y X X X Y X dx Y Y Y Y

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK Tempo igual a t X 8 moléculas de x 4 moléculas de y 16 moléculas de y 2 moléculas de x X Y X X Y Y Y Y Y

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK Tempo igual a t X 8 moléculas de x 4 moléculas de y 16 moléculas de y 2 moléculas de x X Y X X Y Y Y Y Y

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK X 8 moléculas de x 4 moléculas de y 16 moléculas de y 2 moléculas de x X Y X X Y Y Y Y Y

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK Composto Temperatura Metanol em H 2 O 15 Coeficiente de difusão (cm 2/s) 1, 26. 10 -5 Etanol em H 2 O 15 1, 00. 10 -5 Ácido acético em H 2 O 20 1, 19. 10 -5 Etilbenzeno em H 2 O 20 8, 1. 10 -6 CO 2 em ar 20 0, 151

REATOR PISTONADO DE FLUXO DISPERSO L Q, C 0 Q, C dz dy dx

REATOR PISTONADO DE FLUXO DISPERSO • Característica Principal L Q, C 0 Q, C dz dy dx • Equacionamento • Balanço de massa da fase líquida • Balanço de massa do constituinte C

REATOR PISTONADO DE FLUXO DISPERSO • Balanço de massa da fase líquida L Q, C 0 Q, C dz dy dx Simplificaçao: Vazão de entrada igual a vazão de saída 0

REATOR PISTONADO DE FLUXO DISPERSO • Balanço de massa do elemento C L Q, C 0 Q, C dz dy dx

REATOR PISTONADO DE FLUXO DISPERSO • Balanço de massa do elemento C L Q, C 0 Q, C dz dy dx

REATOR PISTONADO DE FLUXO DISPERSO • Balanço de massa do elemento C L Q, C 0 Q, C dz dy dx

REATOR PISTONADO DE FLUXO DISPERSO • Balanço de massa do elemento C L Q, C 0 Q, C dz dy dx

REATOR PISTONADO DE FLUXO DISPERSO • Balanço de massa do elemento C L Q, C 0 Q, C dz dy dx

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK

TRANSPORTE DIFUSIVO LEI DE FICK

REATOR PISTONADO DE FLUXO DISPERSO NÚMERO DE PECLET L Q, C 0 Q, C dz dy dx

REATOR PISTONADO DE FLUXO DISPERSO NÚMERO DE PECLET L Q, C 0 Q, C dz dy dx

REATOR PISTONADO DE FLUXO DISPERSO NÚMERO DE PECLET L Q, C 0 Q, C dz dy dx

REATOR PISTONADO DE FLUXO DISPERSO NÚMERO DE PECLET L Q, C 0 Q, C dz dy dx D igual a zero Transporte difusivo inexistente (Plug flow reactor) D elevado Transporte difusivo considerável, podendo ser maior que o transporte advectivo

REATOR PISTONADO DE FLUXO DISPERSO NÚMERO DE PECLET L Q, C 0 Q, C dz dy dx

REATOR PISTONADO DE FLUXO DISPERSO SOLUÇÕES ANALÍTICAS L Q, C 0 Q, C dz dy dx Reator Fechado (D=0 para Z=0 e 1) Reator Aberto (D 0 para qualquer Z)

REATOR PISTONADO DE FLUXO DISPERSO SOLUÇÕES ANALÍTICAS

REATORES DE MISTURA COMPLETA EM SÉRIE Q, C 1 Q, C 0 1 C 1 Q, C 2 2 C 2 Q, C 3 3 C 3 Q, C n-1 n Cn Q, Cn

REATORES DE MISTURA COMPLETA EM SÉRIE Q, C 1 Q, C 0 1 C 1 Q, C 2 2 C 2 Q, C 3 3 C 3 Q, C n-1 n Cn Q, Cn

REATORES DE MISTURA COMPLETA EM SÉRIE Q, C 1 Q, C 0 1 C 1 Q, C 2 2 C 2 Q, C 3 3 C 3 Q, C n-1 n Cn Q, Cn

REATORES DE MISTURA COMPLETA EM SÉRIE

Muito Obrigado !!!