Reatores químicos em 2023 – ABEQ

Reatores químicos industriais sob a perspectiva da Engenharia Química em 2023

Olá, leitoras e leitores. Tradicionalmente, nos cursos de Engenharia Química o chamado Cálculo de Reatores é ensinado em um ou dois semestres, no terceiro ano de curso. As referências mais tradicionais eram o livro do Levenspiel (1972), e mais recentemente o livro do Fogler (2006).

Os reatores químicos são unidades cruciais em processos químicos, nos quais ocorrem reações químicas para converter reagentes em produtos desejados. O projeto de reatores químicos envolve determinar seu tamanho e condições de operação para alcançar conversão e seletividade ótimas, levando em consideração fatores como segurança, eficiência e custo efetivo. Em nível de graduação, limitamo-nos a dimensionar reatores ideais – batelada, tanque de mistura contínuo e tubular – o que corresponde a determinar o volume do tanque agitado ou o diâmetro e o comprimento do tubo. Depois, estudamos reatores não-isotérmicos, reatores de leito fixo e, talvez, a distribuição do tempo de residência que ocorre em equipamentos reais. Saber tudo isso é muito bom, difícil de aprender com 20 anos de idade e seis (ou mais) disciplinas concomitantes, e resolve muito do problema cotidiano de um engenheiro de processos. Mas, talvez, não seja o suficiente para mudar o patamar da produtividade atual das plantas, ou resolver os problemas que se colocam no século XXI.

Projeto (Dimensionamento) de Reatores Químicos

Consideramos aqui os três tipos comumente utilizados de reatores: o reator de tanque em batelada, o reator contínuo agitado (CSTR) e o reator tubular contínuo (PFR).

O reator de tanque em batelada é um tipo simples de reator no qual os reagentes são colocados em um tanque e se permite que reajam sem qualquer entrada ou saída de reagentes ou produtos durante a reação, que se realiza de maneira sequencial. A equação de dimensionamento para um reator de tanque em batelada é relativamente direta e envolve a determinação do tempo de reação necessário, com base na conversão desejada (X), concentrações dos reagentes e cinética da reação. A forma geral da equação de dimensionamento para um reator de tanque em batelada é:

Reatores químicos industriais sob a perspectiva da Engenharia Química em 2023 - ABEQ ©QD Foto: Divulgação
t = (NA₀ * ∫dX /(rAV)

onde:

V é Volume do reator, NA₀ é o número de mols inicial do reagente A, -rA é a taxa de reação de A (mol/(L•s)), e X é a conversão desejada de A.

O reator contínuo agitado (CSTR) é um tipo amplamente utilizado de reator no qual os reagentes entram continuamente no reator e os produtos saem continuamente. Assume-se que a mistura dos reagentes é perfeita e que a concentração de todas as espécies é uniforme no reator. A equação de dimensionamento para um CSTR envolve a determinação do volume do reator (V) com base na conversão desejada (X), na taxa de fluxo volumétrico do reagente (F₀) e na taxa de reação (-rA). A forma geral da equação de dimensionamento para um CSTR é:

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V = (F₀ / (-rA)) * (1/X)

Essa equação pressupõe que a reação seja de primeira ordem em relação à concentração do reagente A. No entanto, para reações com diferentes ordens, a equação de dimensionamento pode ser modificada de acordo.

O reator tubular contínuo (PFR) ideal é um tipo de reator no qual os reagentes fluem continuamente por ele, distribuídos uniformemente na dimensão radial e reagindo ao longo do comprimento. A equação de dimensionamento para um PFR envolve a determinação do volume do reator (V) com base na conversão desejada (X), na taxa de fluxo volumétrico do reagente (F₀) e na taxa de reação (-rA). A forma geral da equação de dimensionamento para um PFR é:

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V = (F₀ / (-rA)) * ∫(1/X) dV

Essa equação envolve a integração do recíproco da conversão desejada (1/X) sobre o volume do reator (V) para obter o tamanho (comprimento) do reator necessário.

Além dos tipos de reatores discutidos anteriormente, há de se mencionar os reatores não-isotérmicos e os reatores de leito fixo, que possuem características e considerações únicas no processo de projeto.

Reatores não-isotérmicos são reatores nos quais ocorrem variações de temperatura durante a reação. Essas variações de temperatura podem afetar significativamente a taxa de reação, seletividade e desempenho geral do reator. No projeto de reatores não-isotérmicos, é necessário considerar a transferência de calor e gerenciar perfis de temperatura para otimizar as condições de reação.

Reatores de leito fixo são amplamente utilizados em reações catalíticas, nos quais um catalisador sólido é empacotado em um leito fixo pelo qual o reagente flui. Os reagentes sofrem a reação desejada ao passar pelo leito de catalisador. Reatores de leito fixo oferecem vantagens, como alta conversão, separação fácil do catalisador e operação contínua.

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Intensificação de processos

O primeiro “pacote de conhecimento” adicional que o engenheiro de processos deve considerar ao lidar com reatores químicos é o da Intensificação de Processos, que se refere ao conceito de aprimorar a eficiência, produtividade e sustentabilidade dos processos químicos por meio de estratégias e tecnologias inovadoras. Isso envolve a integração de vários princípios, como otimização de processos, design de equipamentos e engenharia de reação, para alcançar maiores rendimentos, reduzir o consumo de energia e minimizar o impacto ambiental. Abordagens-chave incluem microrreatores, sistemas de fluxo contínuo, catalisadores avançados e substituição de solventes. Ao intensificar os processos químicos, o objetivo é maximizar a utilização de recursos, minimizar a geração de resíduos, melhorar a segurança e viabilizar métodos de produção mais sustentáveis, resultando em fabricação química economicamente viável e ecologicamente amigável.

Uma das estratégias de intensificação de processos é a combinação de duas ou mais operações em um único equipamento ou unidade e, considerando a intensificação de processos no dimensionamento de reatores industriais, o acoplamento da etapa de reação com a etapa de separação se destaca como uma alternativa bastante estudada. Dessas, a destilação reativa tem recebido bastante atenção.

A destilação reativa (RD) combina pelo menos uma reação química com a separação simultânea da mistura de reação, usando o equilíbrio de fase líquido-vapor em uma única unidade multifuncional. Frequentemente, o termo destilação catalítica é usado para tais sistemas em que um catalisador homogêneo ou heterogêneo é aplicado para acelerar a reação. Contudo, é possível usar o nome genérico destilação reativa para abranger tanto as reações catalisadas como as não catalisadas. A primeira patente remonta à década de 1920 e os primeiros artigos acadêmicos foram publicados nessa época. As publicações iniciais tratavam principalmente de reações homogêneas, como esterificações, transesterificações e hidrólise de ésteres. A catálise heterogênea na RD é um desenvolvimento mais recente.

A destilação reativa oferece uma série de benefícios, como simplificação ou eliminação do sistema de separação, melhoria na conversão de reagentes, melhoria na seletividade, redução da necessidade de catalisador, evitação de azeótropos, redução da formação de subprodutos e benefícios de integração de calor. No entanto, também apresenta algumas limitações, como restrições de volatilidade, requisitos de tempo de residência, dificuldade de dimensionamento para grandes vazões e incompatibilidade de condições de processo. A destilação reativa já é amplamente aplicada em várias indústrias, destacando-se a produção de acetato de metila como um exemplo marcante dos benefícios dessa técnica.

A associação de outras operações de separação clássicas, como a absorção e a cristalização são mais óbvias – a absorção química e a precipitação são opções tradicionais de processamento. Por sua vez, a associação da etapa de reação com separação por membranas é mais recente. A adsorção está desde sempre envolvida na catálise heterogênea, mas a utilização de leitos móveis simulados com reação ou reatores de leitos de gotejamento (tricked bed reactors) é mais recente.

Alternativa promissora dentro da engenharia de reações químicas, com foco na intensificação de processos e segurança, são os reatores microestruturados (MSRs). Esses reatores, com diâmetros hidráulicos de até algumas centenas de micrômetros, oferecem eficiência aprimorada na transferência de massa e calor, melhorando significativamente o desempenho do reator em comparação com métodos convencionais. A ampla área interfacial nos MSRs elimina as limitações de transferência de massa, garantindo reações eficientes. As dimensões compactas também promovem uma distribuição uniforme de temperatura, auxiliando na dissipação de calor durante as reações.

Uma das principais vantagens dos MSRs é sua segurança inerente, pois possuem uma quantidade mínima de produtos químicos perigosos. No entanto, a aplicação de MSRs em reações multifásicas enfrenta certos desafios. Os MSRs catalíticos são suscetíveis à desativação do catalisador, exigindo uma regeneração eficaz in situ, uma vez que a substituição convencional do catalisador muitas vezes não é viável. Além disso, a espessura da parede catalítica do microrreator pode dificultar a transferência de calor, levando a comportamentos não isotérmicos em reações altamente exotérmicas. Os MSRs também são menos adequados para reações que envolvem materiais altamente viscosos ou partículas suspensas. Além disso, técnicas de modelagem confiáveis para sistemas em microescala ainda estão pouco desenvolvidas.

Outro aspecto crítico é a escalabilidade dos MSRs para atender aos requisitos de produção industrial. Alcançar uma distribuição uniforme entre elementos microestruturados paralelos é crucial para aproveitar todas as vantagens dos MSRs. Superar esses desafios abrirá caminho para a implementação mais ampla de MSRs em processos de fabricação química.

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Possibilidades da Eletroquímica

Engenheiros químicos trabalhando com reações químicas em 2023 devem se atentar também para as possibilidades da Eletroquímica. A Promoção Eletroquímica da Catálise (Epoc) ou o Efeito Não-Faradáico de Promoção Eletroquímica da Catálise (Nemca) é um fenômeno observado na área da catálise que envolve a mudança reversível na taxa catalítica de uma reação química sem transferência líquida de carga. Esse fenômeno ocorre em um filme catalítico depositado em um suporte de eletrólito sólido condutor iônico ou eletrônico-iônico misto, por meio da aplicação de um potencial elétrico entre o catalisador e um segundo filme condutor depositado no suporte de eletrólito sólido. Essa abordagem tem sido amplamente estudada e explorada por sua capacidade de influenciar a atividade catalítica e a seletividade de reações químicas. A Epoc ou Nemca pode aumentar o efeito catalítico em até 90 vezes.

A integração da síntese orgânica e eletroquímica tem sido um desenvolvimento significativo nos últimos anos. A eletroquímica oferece cada vez mais oportunidades para produzir diretamente intermediários reativos e utilizar oxidantes e redutores químicos como catalisadores. Além disso, a síntese orgânica tem sido utilizada para modificar superfícies de eletrodos, mas agora, com o foco crescente no desenvolvimento de métodos sintéticos impulsionados pela eletroquímica, uma ampla gama de ferramentas sintéticas está disponível. Essa integração sinérgica entre síntese e eletroquímica oferece oportunidades para expandir e melhorar a utilidade de ambas as áreas. Novos catalisadores podem ser desenvolvidos para otimizar a seletividade química de transformações eletroquímicas, explorando reações de oxidação e redução em um único sistema. A utilização de múltiplos eletrocatalisadores permite o controle de diferentes etapas em uma sequência de reação multietapa.

Para ampliar os processos eletroquímicos, é essencial considerar e explorar cuidadosamente os parâmetros envolvidos. Além das variáveis clássicas, como solventes, reagentes e carga de reagentes, fatores especializados, como o material do eletrodo e a densidade de corrente, desempenham um papel crucial. A experimentação de alto rendimento é uma ferramenta valiosa para otimizar e garantir a robustez das reações dentro desse espaço complexo de parâmetros. Recursos como eletrodos descartáveis, controle elétrico independente de células individuais e experimentos de fluxo em escala de microlitros estão disponíveis atualmente.

A epoxidação do etileno, a reforma do metano e a produção de amônia são exemplos de processos industriais que podem ser muito melhorados com a utilização da Epoc. Por exemplo, na produção de amônia, já no ano 2000, podia-se obter o aumento da taxa catalítica de 13 vezes, com uma redução de 50°C na temperatura operacional ou uma redução de 30% na pressão operacional se a promoção eletroquímica fosse aplicada em um reator industrial.

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Referências

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Química e Derivados - André Bernardo é Engenheiro Químico formado na Escola Politécnica da USP ©QD
André Bernardo é Engenheiro Químico formado na Escola Politécnica da USP

O AUTOR

André Bernardo é Engenheiro Químico formado na Escola Politécnica da USP, com mestrado em Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos pela Faculdade de Engenharia Química da Unicamp e Doutorado em Engenharia Química pela UFSCar. Trabalhou no Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT) e em diferentes indústrias químicas. Atualmente é professor do departamento de Engenharia Química da UFSCar. contato: [email protected]

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