Reatores químicos e cinética de reação
Autor: Danilo Ferreira Costa
Os processos da indústria química envolvem uma série de reações químicas para a síntese de produtos de interesse a partir de matéria-prima em condições específicas. Os reagentes, devidamente condicionados, passam por diversas etapas reacionais dentro de reatores químicos, projetados especialmente para obter o melhor rendimento para esses processos. Um dos papéis do engenheiro químico é projetar e dimensionar reatores químicos, com base no conhecimento da cinética das reações.
A cinética de uma reação química consiste na taxa com a qual uma dada concentração molar de reagente está sendo consumida ou ainda na quantidade de matéria de produto que é formada por unidade de tempo. Sendo assim, a cinética química é uma área de estudo da velocidade das reações. No setor industrial, para que os processos sejam otimizados, é necessário agilizá-los, de modo a aumentar a produtividade. Portanto, é imprescindível compreender os fatores que influenciam na velocidade das reações.
Dentre os parâmetros importantes para a cinética química estão a concentração de reagentes no meio reacional, a temperatura, a superfície de contato entre as espécies envolvidas e o uso de catalisadores, compostos que modificam a energia de ativação da reação química impactando diretamente na etapa lenta do processo. Outro fator relevante para a velocidade é a homogeneidade ou não da reação, ou seja, a presença de reagentes em mesma fase ou fases diferentes. Todos esses aspectos afetam o projeto de reatores químicos e devem ser levados em consideração pelo engenheiro químico responsável.
Ao projetar um reator químico, é preciso ter em mãos dados físico-químicos e informações sobre escoamento e transferência de calor, para a partir disso definir o tipo de reator nas condições adequadas para atingir uma conversão de reagentes satisfatória e que traga retornos financeiros.
Quanto ao modo de operação, os reatores químicos podem ser descontínuos, contínuos ou semicontínuos. Os reatores descontínuos recebem a quantidade total de reagente no início da operação e o processo é interrompido ao atingir o grau de conversão. Estes reatores são utilizados em processos de pequena escala.
Enquanto isso, os reatores contínuos operam em grande escala e possuem, como o próprio nome diz, um fluxo contínuo de materiais ao longo de um processo em regime permanente, ou seja, no qual as propriedades do fluido dentro do reator não variam com o tempo. Por fim, existem os reatores semicontínuos, que se utilizam de características aplicáveis aos outros dois modos de operação.
Contudo, o projeto de reatores não se resume ao modo de operação do equipamento. A geometria, o escoamento e o contato entre fases também devem ser levados em consideração para atingir uma conversão satisfatória, com base no entendimento sobre a cinética do processo. Tendo em vista essas características, os reatores químicos também podem ser divididos em reatores batelada, com tanque de agitação e tubulares.
Reator batelada
Reator CSTR
Reator PFR (Tubular)
Os reatores batelada são descontínuos, portanto operam em regime transiente e sob agitação até alcançar uma dada pressão. Enquanto os reatores com tanque de agitação, também conhecidos como reatores CSTR, do inglês Continuous Stirred Tank Reactor, são contínuos e aplicados a misturas homogêneas, ainda sob agitação.
Os reatores tubulares funcionam sem agitação e são recomendáveis para processos em fase gasosa. Entre eles, destacam-se o reator PFR, ou Plug Flow Reactor, que opera sem perda de carga e com variações apenas na direção axial do tubo, e o reator PBR, ou Packed Bed Reactor, utilizado em sistemas heterogêneos onde a reação ocorre na superfície de um catalisador.
O ponto de partida para escolher a configuração de um reator químico é conhecer a lei de velocidade da reação, a partir da qual pode-se investigar em escala de laboratório como a velocidade de reação depende da temperatura, composição, escoamento e outras condições operacionais.
Este artigo traz exemplos dos principais reatores utilizados em escala industrial, porém as características dos equipamentos projetados variam bastante e vão muito além do que foi citado. De todo modo, os reatores químicos devem e são projetados para atingir a máxima eficiência possível em termos de conversão, alinhada a viabilidade técnica e econômica. A variedade de fatores a serem avaliados e a complexidade do projeto de reatores reflete o importante papel do engenheiro químico na indústria.
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Referências (Acesso em 15/06):
FOGLER, H. S., Cálculo de reatores: O essencial da engenharia das reações químicas, Rio de Janeiro: LTC, 1ª ed., 2014.
