Baixe Reatores e simulaçao e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Química, somente na Docsity! UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAMPA - UNIPAMPA CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO I JORGE LUIZ OLIVEIRA LUCAS JÚNIOR Combinação de Reatores Contínuos (CSTR e PFR) validando resultados computacionais com dados obtidos experimentalmente BAGÉ, JULHO DE 2011 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 1 JORGE LUIZ OLIVEIRA LUCAS JÚNIOR Combinação de Reatores Contínuos (CSTR e PFR) validando resultados computacionais com dados obtidos experimentalmente 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 BAGÉ, JULHO DE 2011 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 4 RESUMO 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 up1 para planta piloto ou industrial. . Palavras-chave: Combinação de reatores; Aspen Plus; Simulação. _______________ 1 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. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 5 ABSTRACT A chemical process simulator can predict the behavior of a device or a chemical plant in a timely and cost using intrinsic thermodynamic models, mass balances, energy, momentum, chemical and phase equilibrium, reaction rates and curves the behavior of specific equipment. In this paper we will use the simulator Aspen Plus 11.1 to simulate different configurations of continuous reactors, CSTR and PFR, present in a didactic module reactors to be acquired by UNIPAMPA. Combinations will be analyzed in series and in parallel in order to increase the degree of conversion of a reagent or the amount of the desired product by means of a parametric sensitivity analysis. The variables to be manipulated will be the flow rate and total volume reaction. The results obtained by simulation will be validated experimentally in the reactors and didactic module may serve for future scale up1 to pilot plant or industrial. . Keywords: Combination of reactors; Aspen Plus; Simulation. _______________ 1 Lets move from a laboratory or pilot scale development to a wider scale production. Information taken from: SOLTERMANN, Omar E. Constraints Socio-technical Extrapolation (Scale-UP) Chemical Processes.Campinas, 1992. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 6 LISTA DE FIGURAS FIGURA 2.1: Balanço de massa para um volume de reator ............................................. 20 FIGURA 2.2: Balanço de energia para um volume de reator ........................................... 21 FIGURA 2.3: Fluxograma de Construção de um Reator CSTR........................................ 28 FIGURA 2.4: Fluxograma de Construção de um Reator PFR........................................... 29 FIGURA 4.1: Tela de abertura do Aspen Plus User Interface 11.1................................... 31 FIGURA 4.2: Janela de construção de fluxograma para reatores químicos...................... 32 FIGURA 4.3: Correntes de massa entrando e saindo de um CSTR................................... 32 FIGURA 4.4: Janela para definição dos componentes....................................................... 33 FIGURA 4.5: Janela para especificação do método termodinâmico................................. 34 FIGURA 4.6: Janela para especificação das correntes....................................................... 34 FIGURA 4.7: Janela para especificação da estequiometria e cinética da reação............... 35 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 9 LISTA DE SIMBOLOS a - Coeficiente Estequiométrico do Reagente A A – Fator de Freqüência ou Fator Pré-exponencial b - Coeficiente Estequiométrico do Reagente B AC – Concentração do Reagente A 0AC – Concentração do Inicial do Reagente A BC – Concentração do Reagente B AdC –Diferencial de Concentração AdX – Diferencial de Conversão e – Exponencial Ea – Energia de Ativação AF – Vazão Molar da Espécie A 0AF – Vazão Molar de Entrada da Espécie A k – Constante de Velocidade de Reação AN – Número de mols da Espécie A p - Coeficiente Estequiométrico do Produto P Ap – Pressão Parcial do Componente A Bp – 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 0v – Vazão Volumétrica de Entrada X – Conversão AX – Conversão do Reagente A -rA – Taxa ou Velocidade de Reação τ – Tempo espacial ΔGr –Variação da Energia Livre de Gibbs Reacional Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 10 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO............................................................................................................. 11 1.1 Objetivo Geral.............................................................................................................. 12 1.1.1 Objetivos Específicos................................................................................................ 12 1.2 Justificativa................................................................................................................... 12 1.3 Organização do Trabalho de Conclusão de Curso 1................................................... 13 2 REVISÃO TEÓRICA................................................................................................... 14 2.1 Definição e Classificação das Reações Químicas........................................................ 14 2.2 Energia de Ativação (Ea) ............................................................................................ 15 2.3 Equação de Arrhenius................................................................................................. 16 2.4 Taxa ou Velocidade de Reação (- rA )......................................................................... 17 2.5 Tempo espacial (τ)...................................................................................................... 18 2.6 Conversão (X).............................................................................................................. 18 2.7 Termodinâmica das Reações Químicas........................................................................ 19 2.8 Balanços de Massa e Energia....................................................................................... 19 2.8.1 Equação Geral do Balanço de Massa........................................................................ 20 2.8.2 Equação Geral do Balanço de Energia...................................................................... 20 2.9 Reatores Químicos....................................................................................................... 21 2.9.1 Reator Continuo de Tanque Agitado (CSTR).......................................................... 22 2.9.2 Reator Tubular de Fluxo Pistonado (PFR)............................................................... 24 2.10 Combinação de Reatores ........................................................................................... 24 2.10.1 Reatores em Paralelo............................................................................................... 25 2.10.2 Reatores em Série ................................................................................................... 25 2.11 Simulador de Processos Aspen Plus........................................................................... 26 2.11.2 RCSTR ( Reator Continuo de Tanque Agitado)...................................................... 27 2.11.2.1 Flowshet Connectivity RCSTR (Fluxograma para um CSTR)............................. 27 2.11.2.2 Material Streams ( Fluxo de Materiais)............................................................... 28 2.11.2.3 Specifyng (Especificações) ................................................................................. 28 2.11.3 RPlug ( Reator Tubular de Fluxo Pistonado).......................................................... 28 2.11.3.1 Flowshet Connectivity RPlug (Fluxograma para um PFR)................................. 29 2.11.3.2 Material Streams ( Fluxo de Materiais)............................................................... 29 2.11.3.3 Specifyng (Especificações) ................................................................................. 29 3 METODOLOGIA......................................................................................................... 30 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO.................................................................................. 31 5 CONCLUSÃO............................................................................................................... 36 6 CRONOGRAMA........................................................................................................... 37 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................... 38 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 11 1 INTRODUÇÃO Um processo nada mais é que componentes químicos sendo misturados, separados, aquecidos, resfriados e convertidos através de operações unitárias. Estes componentes são transferidos de uma unidade para outra pelas correntes que ligam o processo. O processo industrial real pode ser traduzido para uma simulação através de modelos existentes nos simuladores. O texto abaixo é baseado em LUSA, FARENZENA, BECKER, 2006. Simuladores de processo permitem prever o comportamento de um processo utilizando relações básicas de engenharia, como balanços de massa, de energia, quantidade de movimento, equilíbrio químico e de fases, taxas de reação e curvas do comportamento de equipamentos específicos. O comportamento de uma planta de processo pode ser previsto utilizando-se modelos termodinâmicos intrínsecos de um simulador de processos, correlacionando variáveis do processo, bem como equipamentos e características da planta. Os simuladores são importantes ferramentas na otimização tanto de plantas industriais existentes, quanto de plantas industriais novas, incluindo etapas de pesquisa e desenvolvimento, projeto do processo de produção, partida, operação e parada periódica. A utilização de um simulador de processos na parte de projeto e equipamentos é facilitada devido à rapidez e a confiabilidade dos resultados obtidos, assim como a redução de custos com experimentos. Obedecendo-se algumas condições de operação e fornecendo-se os parâmetros construtivos de alguns equipamentos e as propriedades de algumas correntes é possível estimar todas as propriedades de correntes intermediárias e de saída de um processo. É necessário certificar-se que na especificação de variáveis e parâmetros os graus de liberdades precisam ser nulos. Uma importante característica nos simuladores de processo é a analise de sensibilidade que permite manipular algumas variáveis do processo e com essa manipulação prever as mudanças de características dos produtos da reação. Essa é uma importante ferramenta na otimização de processos, pois permite um entendimento mais aprofundado do processo e como a mudança de uma variável pode ser benéfica ao processo. Podem ser utilizados gráficos que construam curvas de formação de produtos e que auxiliam a visualização da cinética de um processo. Uma etapa fundamental na simulação de um processo é a escolha do pacote Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 14 2 REVISÃO TEÓRICA 2.1 Definição e Classificação das Reações Químicas Segundo Levenspiel (2000), uma reação química pode ser descrita quando um número detectável de moléculas de uma ou mais espécies químicas perdeu sua identidade e adquiriu novas propriedades, como alteração no número de átomos, configuração desses átomos ou ainda alterações na configuração molecular. As reações químicas podem ser classificadas de diversas maneiras. Para estudos de engenharia das reações químicas é utilizada a divisão das mesmas em sistemas homogêneos e heterogêneos. Reações homogêneas ocorrem em uma única fase e reações heterogêneas requerem a presença de no mínimo duas fases para ocorrer a certa velocidade. Além dessa classificação, existem reações catalíticas, cuja taxa é alterada por materiais que não são reagentes e nem produtos, tais materiais, chamados catalisadores, não necessitam estar presentes em grandes quantidades. Os catalisadores atuam retardando ou acelerando a reação, sem que sejam modificados de forma expressiva. (LEVENSPIEL, 2000, p. 2). Fogler (2009, p.1) diz que “Cinética química é o estudo das velocidades de reações químicas e dos mecanismos de reação. O estudo da engenharia das reações químicas combina o estudo de cinética química com os reatores nos quais as reações ocorrem”. Segundo Boniatti (2009), a grande importância prática da cinética química é permitir a análise das reações químicas sob diferentes aspectos, estudar as reações e os parâmetros inerentes ao processo confrontando dados obtidos para prever variações de propriedades intrínsecas e extrínsecas de cada reação química. Os principais objetivos do estudo da cinética são: - Determinar o mecanismo da reação (caminho percorrido pela reação); - Coletar e analisar dados cinéticos experimentais (métodos que permitam medir a velocidade das reações, desde as mais lentas até as explosivas); - Projetar reatores; - Definir as condições operacionais (temperatura, pressão, composição da alimentação, condições de fluxo, grau de mistura, condições do catalisador e parâmetros envolvidos na transferência de calor e massa). Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 15 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 lugar2. 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. _______________ 2 Informação retirada de: Depto. de Ciências Exatas, ESALQ/USP: Cinética Química. Publicação Destinada ao Ensino de Ciências-Química - 28/3/2002. Disponível em: <http://www.lce.esalq.usp.br/arquimedes/Atividade09.pdf>. Acesso em: 02 jul. 2011. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 16 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). Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 19 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: )1(0 AAA XFF  (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 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 20 Elemento de volume do reator O reagente entra O reagente sai O reagente desaparece devido a reação dentro do reator O reagente é acumulado dentro do elemento desenvolvimento de modelos cinéticos de fenômenos de transporte que podem expressar a velocidade com base em variáveis do sistema, tais como modelos de reator de balanços de materiais, de energia e de momento, tendo em conta os tipos de fluxos e as fases presentes. 2.8.1 Equação Geral do Balanço de Massa O primeiro passo, para a compreensão de reatores químicos, é o balanço de massa das espécies químicas que participam das reações químicas, esse balanço de massa leva em conta as entradas de reagentes, as saídas de produtos, o consumo de reagentes e o acúmulo de reagentes. A equação que expressa o balanço de massa de uma reação química é a equação 2.9 e o modelo referente ao balanço de massa para um volume de reator está mostrado na Figura 2.1: (2.9) Fonte: Levenspiel, 2000, p. 68) FIGURA 2.1: Balanço de massa para um volume de reator 2.8.2 Equação Geral do Balanço de Energia Em operações isotérmicas, os balanços de energia têm de ser usados com os balanços Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 21 de massa. Dependendo do tipo de reator, este balanço pode ser realizado sobre um elemento diferencial de reator ou sobre o reator como um todo. A equação que expressa o balanço de energia está mostrado na equação 2.10 e o modelo referente ao balanço de energia para um volume de reator esta mostrado na Figura 2.2: (2.10) Fonte: Levenspiel, 2000, p. 69) FIGURA 2.2: Balanço de energia para um volume de reator 2.9 Reatores Químicos De acordo com Fogler (2009), reatores químicos são vasos projetados para conter reações químicas de interesse em 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 desejáveis para a reação dada. Projetistas garantem que a reação se processe com maior eficiência para o produto de saída desejado, Elemento de volume do reator Calor entra Calor sai Calor desaparece devido a reação dentro do reator Calor é acumulado dentro do elemento Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 24 2.9.2 Reator Tubular de Fluxo Pistonado (PFR) Consiste em um tubo cilíndrico, operado geralmente em estado estacionário, onde os reagentes normalmente se encontram em estado gasoso, porém, podendo acontecer em estado liquido. Os fluidos são mecanicamente deslocados ao longo do tubo, de modo que, os reagentes são continuamente consumidos à medida que eles escoam ao longo do reator. Na modelagem de um PFR, é considerado que a concentração varie apenas na direção axial do reator. Consequentemente, a velocidade da reação (-rA), que é uma função da concentração para todas as reações, exceto as de ordem zero, variará também axialmente. As equações descritas abaixo foram retiradas e reconfiguradas de LEVENSPIEL, 2000 e FOGLER, 2009. A equação geral para calcular o volume de um reator PFR esta disposta 2.17: )(0 0 A A XA A r dX FV    (2.17) Aplicando-se o conceito de tempo espacial, tem-se, então, que: τ )(0 00 A A XA A r dX Fv    (2.18) Isolando-se o tempo espacial, tem-se: )(0 0 A A XA A r dX C    (2.19) Para sistemas a volume constante )0( A , tem-se que AAAA dXCCC 00  , que conduz a relação AAA dXCdC 0 , que sendo substituída em 2.19 conduz a: )(0 A A CA CA r dC    (2.20) 2.10 Combinação de Reatores Reatores químicos podem ser dispostos independentemente, combinados em série ou paralelo. De acordo com Pereira 2009, para qualquer tarefa particular e para todas as ordens positivas de reação, o reator de mistura perfeita é sempre maior que o reator de fluxo pistonado, para uma mesma alimentação e mesma conversão. A razão de volumes aumenta Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 25 com a ordem de reação. Quando a conversão é pequena, o desempenho do reator é só levemente afetado pelo tipo de escoamento. A razão de desempenhos aumenta muito rapidamente a altas conversões, conseqüentemente, uma representação apropriada do escoamento se torna muito importante nesta faixa de conversão. Boniatti (2009), ressalta que, a variação de densidade durante a reação afeta o projeto, entretanto, ela é normalmente de importância secundária quando comparada com a diferença no tipo de escoamento.Para as reações em paralelo, a variável fundamental que se deve manipular para aumentar o rendimento do produto desejado é a concentração. Por outro lado, nas reações em série, a variável mais importante é o tempo (tempo espacial para reatores em fluxo contínuo). 2.10.1 Reatores em Paralelo Segundo Pereira (2009), a combinação de reatores tubulares de fluxo pistonado em paralelo é muito utilizada na indústria, e é muito comum que os diferentes reatores combinados em paralelo sejam arranjados de modo a terem o mesmo volume. Neste caso, a vazão de alimentação é constante para cada um dos diferentes reatores, o que fará com que o tempo espacial (τ) se mantenha constante. Consequentemente, a operação de sistemas com diferentes reatores tubulares em paralelo só levará a máxima eficiência de produção se o tempo espacial (τ) para cada reator for constante. Qualquer outra forma de alimentação onde τ não seja mantido o mesmo em todos os reatores conduzirá a uma menor eficiência do sistema. Segundo Boniatti (2009), para se obter uma conexão ótima de reatores pistonados ligados em paralelo pode-se tratar o sistema inteiro como um único reator pistonado. O volume deste único reator será igual ao volume total das unidades individuais, se a alimentação for distribuída de tal maneira que as correntes fluidas que se encontram tiverem a mesma composição. Para isso ocorrer para reatores em paralelo, o tempo espacial do diferentes reatores arranjados tem que ser o mesmo para cada linha paralela. Qualquer outra maneira de alimentação é menos eficiente. 2.10.2 Reatores em Série Fogler (2005) diz que, reatores podem ser conectados em série , de modo que a corrente de saída de um reator é a corrente de alimentação para outro reator. Quando esse arranjo é usado, frequentemente é possível acelerar os cálculos, definindo a conversão em Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 26 termos de um ponto a jusante em vez da conversão em relação a qualquer um dos reatores. Para reatores em série a conversão é encontrada através da equação 2.21: (2.21) De acordo com Levenspiel (2000), considerando um sistema de diferentes reatores de mistura perfeita, com mesma capacidade e conectados em série, a concentração pode ser dita uniforme em cada reator, porém, ocorrerá uma variação na concentração conforme o fluido se move de um reator a outro. A diminuição gradual da concentração sugere que quanto maior for o número de unidades em série, mais o sistema se comporta como escoamento pistonado. Como regra geral, com reatores de mistura perfeita, é mais conveniente desenvolver equações em termos de concentrações do que em termos de conversões 2.11 Simulador de Processos Aspen Plus O simulador Aspen Plus é produzido e mantido pela Aspen Tech. A grande vantagem deste simulador em relação aos demais advêm do seu conjunto de pacote termodinâmicos. Os modelos termodinâmicos implementados neste simulador para o calculo e estimativa de propriedades físico-químicas, tanto de componentes puros como de misturas possuem quantidade e qualidade superiror em relação aos demais simuladores comerciais. Em cinética e cálculo de reatores químicos, muitos problemas recaem em sistemas de equações algébricas e/ou diferenciais, o que é, algumas vezes, de resolução trabalhosa por meios analíticos, quando estas existem4(RODRIGUES et al., 2006). Por esse motivo a utilização de ferramentas computacionais para a solução destes problemas se faz necessário. Os simuladores de processo, dependendo de sua estrutura e forma de funcionamento, podem auxiliar na resolução destas tarefas. “Um modelo é qualquer objeto, concreto ou abstrato, utilizado para explicar um fenômeno. Na visão da engenharia, consiste num certo conjunto de dados e idéias abstratas para explicar um fenômeno de interesse e relacionar as variáveis de problemas. Um modelo de engenharia se torna matemático quando atinge seu ápice, sendo possível estabelecer relações quantitativas precisas entre as variaveis ” (PINTO E LAGE, 2001, apud RODRIGUEZ, 2011, p. 19). _______________ 4 Informação fornecida por R. Rodrigues et al no XVI Congresso Brasileiro de ENGENHARIA QUÍMICA, em 24 de setembro de 2006, no III Congresso Brasileiro de TERMODINÂMICA APLICADA – CB TERMO, Santos, 24 a 27 de setembro de 2006. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 29 modelos pré-definidos pelo simulador Aspen Plus ou deve ser fornecido na rotina de simulação. Segundo ASPEN TECHNOLOGY (2003), a simulação no reator CSTR necessita das mesmas especificações mostradas na tabela 2.2: 2.11.2.1 Flowshet Connectivity for RPlug ( Fluxograma para um PFR) Permite a construção de fluxogramas, com entradas, saídas e correntes de calor presentes em um processo de reatores de tubulares de fluxo pistonado, conforme mostrado na figura 2.4: Fonte: ASPEN TECHNOLOGY, INC. Aspen Plus 12.1 Unit Operation Models FIGURA 2.4 – Fluxograma de Construção de um Reator PFR. 2.11.2.2 Material Streams ( Fluxo de Materiais) Na entrada deve ser designado pelo menos um fluxo de material. Na saída deve ser designado outro fluxo material. 2.11.2.3 Specifyng (Especificações) Pode-se utilizar um fluxo de calor de saída, é necessário especificar o comprimento do tubo do reator, se o reator for constituído de tubos múltiplos, deve-se inserir essa informação, deve ser especificada a queda de pressão em todo o reator. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 30 3 METODOLOGIA O Trabalho de Conclusão de Curso I consistiu no estudo das reações químicas combinadas com o simulador Aspen Plus e seu modo de operação, este ultimo sendo dividido nas seguintes partes: - Como elaborar um fluxograma em série e em paralelo incluindo as correntes de massa e calor; - Como acessar o banco de dados de componentes; - Como escolher o pacote termodinâmico mais adequado; - Como inserir as variáveis de operação do reator: queda de pressão, temperatura, vazão e composição das fases presentes; - Como inserir a estequiometria e a cinética da reação; - Como correr uma simulação. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 31 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Neste capitulo serão abordados os resultados do estudo do simulador Aspen plus, seguindo a metodologia mostrada no capítulo 3. 4.1 Como Elaborar um Fluxograma em Série e em Paralelo Incluindo as Correntes de Massa e Calor Embora o simulador Aspen Plus apresente diversos módulos específicos como por exemplo, tecnologia pinch, polímeros, entre outros, para esse projeto foi usado o módulo Aspen Plus User Interface, conforme mostrado na figura 4.1. FIGURA 4.1 – Tela de Abertura do Aspen Plus User Interface 11.1 O primeiro passo, a ser executado na simulação, é a criação do fluxograma de processos através da escolha dos equipamentos e interligação entre eles. A figura 4.2 mostra a janela de Flowsheet para a categoria Reatores Químicos, havendo opção de reatores do tipo: estequiométricos, de rendimento, de Gibbs, CSTR, PFR e batelada. A diferença entre eles está nas características da reação como: reversibilidade, estequiometria e cinética. Nesse projeto serão utilizados os tipos RCSTR e RPlug. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 34 FIGURA 4.5 – janela para especificação do método termodinâmico. 4.4 Como Inserir as Variáveis de Operação do Reator: Queda de Pressão, Temperatura, Vazão e Composição das Fases Presentes As propriedades tanto da alimentação quanto dos produtos são alimentadas no simulador conforme mostrado na figura 4.6. É obrigatório o preenchimento dos campos de temperatura, pressão ou queda de pressão, vazão e composição de todas as correntes. FIGURA 4.6 – janela para especificação das correntes. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 35 4.5 Como Inserir a Estequiometria e a Cinética da Reação No trabalho proposto será utilizada a cinética para reações simples na forma de Lei de Potência com estequiometria conhecida. A figura 4.7 mostra a aba para inserir os coeficientes estequiométricos da reação, positivo para produtos e negativo para reagentes, assim como aba para inclusão dos parâmetros cinéticos. Os parâmetros cinéticos obrigatórios são: a constante de velocidade, a ordem da reação e a energia de ativação. FIGURA 4.7 – janela para especificação da estequiometria e cinética da reação. 4.6 - Como correr uma Simulação Para executar a simulação deve-se usar o botão Run, presente no menu principal do simulador. Os resultados são as vazões, energia, temperatura, pressão e composição de todas as correntes presentes. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 36 5 CONCLUSÃO O simulador Aspen Plus possui as ferramentas necessárias para simular diferentes combinações de reatores contínuos para reações de cinética conhecida, através de seus módulos RCSTR e RPlug. E o módulo de reatores contínuos que será empregado possibilitará a comparação dos resultados obtidos em simulação computacional com valores experimentais. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.