Introdução Aos Reatores Em Batelada: Fundamentos E Aplicações

Você já pensou em como acontecem as reações químicas que fazem coisas como remédios e combustível?

Você sabe que essas reações não acontecem sozinhas porque você é um estudante de engenharia ou engenheiro.

Eles precisam de condições exatas, quantidades cuidadosamente medidas de reagentes e catalisadores e o tipo certo de reator.

O reator em batelada ajuda nisso.

O reator de batelada é uma ferramenta importante para qualquer engenheiro químico porque pode lidar com uma ampla gama de reações e as condições dessas reações podem ser controladas com muita precisão.

Neste artigo, entrarei em detalhes sobre os reatores de batelada, falando sobre suas peças, benefícios e usos.

Seja você um engenheiro experiente ou apenas iniciante, este artigo fornecerá as informações necessárias para entender os reatores de batelada e a importância deles no mundo da engenharia química.

Introdução aos reatores em lote

Definição formal:

Um reator químico no qual os reagentes e o catalisador são introduzidos nas quantidades desejadas e o recipiente é então fechado para a entrega de material adicional.

Os reatores de batelada são máquinas flexíveis que podem ser usadas para muitas operações de processo diferentes.

Algumas das coisas mais comuns que os reatores de batelada fazem são:

Sólidos podem ser dissolvidos em líquidos com a ajuda de reatores em batelada.

Os sólidos e o solvente são colocados no reator e a mistura é agitada até que todos os sólidos estejam dissolvidos.

• Produtos de mistura: Os reatores de batelada são usados ​​para misturar diferentes produtos para fazer a mistura desejada.

Isso pode ser útil na indústria de alimentos e bebidas, onde diferentes ingredientes são misturados para fazer um determinado produto.

• Reações químicas: A maioria das reações químicas é feita em reatores de batelada.

Depois de adicionar os reagentes ao reator, a mistura é deixada para reagir por um determinado período de tempo.

No final do lote, os itens são retirados.

• Destilação em lote: Os reatores em lote também podem ser usados ​​para destilação em lote, que é uma maneira de separar partes de uma mistura com base em seus pontos de ebulição.

Vantagens e Desvantagens dos Reatores Batch

Os reatores de batelada têm vários benefícios, como:

Os reatores de batelada são versáteis porque podem fazer mais de uma coisa em um único recipiente sem quebrar a contenção.

Os reatores em batelada podem produzir diferentes produtos no mesmo reator porque podem ser usados ​​para mais de uma coisa.

• Altas Conversões: Os reagentes podem permanecer no reator por muito tempo, o que leva a altas conversões.
• Facilidade de fabricação e alteração: os reatores de lote são muito fáceis de fabricar e alterar.

Mas os reatores em batelada também apresentam alguns problemas, como:

• Backmixing: Backmixing acontece quando o material não é retirado até que a reação termine.

Isso reduz a vida útil do catalisador e gera muitos resíduos.

• Quantidades Limitadas: Reatores em batelada não são a melhor maneira de produzir muitos produtos de uma só vez.
• Variabilidade de Produtos: Os produtos feitos por reatores de batelada podem ser diferentes de uma batelada para outra.
• Dificuldades com produção em larga escala: reatores em lote não são bons para fazer muitas coisas ao mesmo tempo.
• Caro para operar: os reatores de batelada precisam ser ligados e desligados com frequência, o que os torna caros para operar.

Recursos de projeto de reatores em lote

Os reatores de batelada são feitos com algumas peças semelhantes, como:

• Portas para Injeção de Reagentes e Remoção de Produtos: Os reatores de batelada possuem portas para injeção de reagentes e remoção de produtos.
• Trocador de calor ou sistema de agitação: Um trocador de calor ou sistema de agitação pode ser adicionado a um reator em batelada.
• Volume Constante: Os reatores de batelada geralmente têm um volume constante, mas alguns são feitos de modo que o volume possa ser alterado para manter uma pressão constante.

Resumindo, os reatores de batelada são recipientes simples usados ​​nas indústrias de processo para uma ampla gama de tarefas.

Eles são versáteis, podem ser usados ​​para mais de uma coisa, têm altas taxas de conversão e são fáceis de fazer e mudar.

Mas eles também têm alguns problemas, como retromistura, quantidades limitadas, produtos diferentes, dificuldade em fazer muitos, vida curta para o catalisador e desperdício.

Os reatores de batelada são frequentemente usados ​​para trabalhos de pequena escala, testando novos métodos e fabricando produtos caros.

Eles também são frequentemente usados ​​em laboratórios para produção em pequena escala e para iniciar o processo de fermentação de bebidas.

Abraçando a imprevisibilidade: a empolgação e os riscos dos reatores em lote

Ainda difícil de entender? Deixe-me mudar um pouco o ponto de vista:

Químicos, prestem atenção! Quer que seu trabalho seja mais interessante? Cansado das mesmas coisas acontecendo repetidamente? O reator de lote é tudo que você precisa.

O reator em batelada é perfeito para o caos, a imprevisibilidade e talvez até um pouco de emoção, porque você pode adicionar reagentes e catalisadores nas quantidades que desejar e, em seguida, fechar o recipiente para impedir a entrada de mais materiais.

Quem se importa com controle e consistência? Aceite o fato de que o reator em batelada é difícil de prever e veja aonde ele leva você.

Ok, isso foi apenas uma piada feita para parecer um anúncio de TV.

Agora vamos voltar para a explicação.

Componentes de reatores em lote

Os reatores de batelada são recipientes usados ​​nas indústrias de processo para fazer coisas como dissolver sólidos, misturar produtos, realizar reações químicas e destilar em bateladas.

O vaso do reator, o meio de reação, o headspace e um agitador são as quatro partes principais.

Navio reator

A parte principal de um reator de batelada é o vaso do reator, que geralmente é feito de aço, aço inoxidável, aço vitrificado, vidro ou uma liga exótica.

Pode ser menor que 1 litro ou maior que 15.000 litros.

Na maioria das vezes, líquidos e sólidos são colocados no reator através de orifícios na tampa superior.

Vapores e gases saem de buracos na parte superior e líquidos saem de buracos na parte inferior.

meio de reação

A coisa em que a reação ocorre é chamada de meio de reação.

Dependendo do tipo de reação que está sendo realizada, ela pode ser em fase gasosa, fase líquida ou fase líquido-sólido.

Headspace

Headspace é o espaço vazio acima do meio.

Dá espaço para o gás ou vapor que é feito durante a reação.

Agitador

O agitador é necessário para misturar as diferentes partes e adicionar ou remover calor da reação.

Dependendo do tipo de reação, pode ser feita com impulsores de fluxo axial ou impulsores de fluxo radial para fornecer diferentes tipos de mistura.

Vantagens e desafios dos reatores de batelada

Uma das melhores coisas sobre os reatores em batelada é a sua flexibilidade.

Um único navio pode fazer uma série de tarefas diferentes sem quebrar a contenção.

Isso é útil ao trabalhar com materiais tóxicos porque reduz o risco de ferimentos aos trabalhadores.

Mas os reatores em batelada têm alguns problemas, como a mistura reversa, que pode prejudicar a qualidade do produto porque os reagentes não são distribuídos uniformemente no recipiente.

Projeto e dimensionamento de reatores de batelada

Várias coisas precisam ser levadas em consideração ao projetar e dimensionar um reator de batelada para uma determinada reação.

Estes incluem a cinética da reação, transferência de calor, transferência de massa, mistura e comportamento de fase.

O projeto deve garantir que o reator possa realizar a reação com segurança e eficiência, atender às especificações do produto e manter os custos de produção os mais baixos possíveis.

Na maioria das vezes, descobrir o tamanho de um reator em batelada significa descobrir o volume do reator necessário para converter os reagentes de uma certa maneira e permitir mistura e transferência de calor suficientes.

Para obter o melhor desempenho do reator, o processo de projeto e dimensionamento pode envolver experimentos, simulações e modelos.

Em um reator de batelada, o tempo necessário para atingir um certo nível de conversão depende da velocidade da reação e da quantidade de conversão desejada.

Portanto, para descobrir o volume certo do reator em lote para uma determinada reação, você teria que pensar em coisas como a velocidade da reação, as concentrações iniciais dos reagentes, o nível de conversão que você deseja e a quantidade de tempo que o reator estará em execução.

Esta informação pode ser usada para descobrir o tamanho certo para um reator de batelada, calculando parâmetros como constantes de taxa de reação e coeficientes estequiométricos.

Em contraste com os CSTRs e PFRs, que podem processar grandes quantidades de reagentes continuamente ao longo do tempo, os reatores em batelada podem lidar apenas com um certo número de reagentes de uma só vez.

Portanto, um reator de batelada pode não ser capaz de lidar com a mesma quantidade de espécie A por dia que um reator de fluxo contínuo.

Mas os reatores em batelada ainda são úteis para operações de pequena escala, testando novos processos que ainda não foram totalmente desenvolvidos e fabricando produtos caros.

Resumindo, os reatores em batelada possuem várias partes importantes, como o vaso do reator, o meio de reação, o headspace e o agitador.

Eles têm benefícios como serem flexíveis e capazes de serem usados ​​para mais de uma coisa, mas também têm problemas como backmixing.

Para projetar e dimensionar um reator de batelada para uma determinada reação, você deve pensar em coisas como cinética de reação, transferência de calor, transferência de massa, mistura e comportamento de fase.

Cálculos em Reatores Batch

Equação de equilíbrio molar e reação em série

Para um reator de batelada com uma reação em série, precisamos usar a equação de balanço molar para descobrir quanto de uma substância está no reator.

A equação de balanço molar é usada para descobrir a rapidez com que a quantidade de cada mol no reator está mudando.

A equação de balanço molar para um reator em batelada é:

dN_i/dt = r_i*V

onde N_i é o número de moles da espécie i, t é o tempo, r_i é a taxa de reação para a espécie i e V é o volume do reator.

Sempre que quisermos saber quanto de cada espécie está em um reator em batelada durante uma reação em série, podemos usar esta equação.

Dimensionamento de um reator de saponificação em batelada para o processo a quente

A saponificação é um processo químico que transforma gorduras e soda cáustica em sabão.

Para o processo de saponificação a quente, é utilizado um reator em batelada.

Para o processo a quente, o tamanho do reator de saponificação em lote dependerá de quanto sabão precisa ser feito e que tipo de sabão está sendo feito.

Além do tamanho do reator, a área da superfície do reator também pode alterar a rapidez com que a reação ocorre.

Se você usar um reator com defletores ou um com uma proporção maior, poderá aumentar a área de superfície.

Para o processo de saponificação a quente, a temperatura do reator deve ser mantida entre 70°C e 85°C.

A duração da reação depende da quantidade de sabão que você deseja fazer.

Pode levar de várias horas a vários dias.

Um reator de batelada pode ser usado para estudar a cinética da saponificação.

Usando um reator de batelada com agitação magnética e uma camisa de vidro, os alunos podem calcular as constantes de velocidade de uma reação de segunda ordem em diferentes temperaturas.

A reação de saponificação também pode ser usada para descobrir a conversão da reação em um reator tubular de leito empacotado.

Teste e Otimização em Reatores Batch

Realizando testes de reator em lote com sólidos

Ao fazer um teste de reator em batelada com um sólido, os reagentes sólidos e líquidos geralmente são misturados em um recipiente com um agitador.

A mistura é então deixada para reagir por um determinado período de tempo.

Depois disso, o sólido geralmente é separado do líquido por filtração ou centrifugação.

Em seguida, para saber até onde foi a reação, mede-se a concentração da espécie de interesse na fase líquida.

Ao planejar um teste de reator em batelada com um sólido, você também deve pensar no tamanho das partículas do sólido, na concentração inicial dos reagentes e no nível de conversão que deseja.

Teste de Reator de Lote de Laboratório Modificado

A biodegradação de compostos orgânicos voláteis em lodo ativado foi testada em um reator em batelada no laboratório.

O teste foi alterado para incluir fibras de microextração em fase sólida (SPME) para amostragem na fase gasosa.

Isso elimina a necessidade de um tubo de sucção e facilita o uso com sólidos.

Sistemas de Sequenciamento de Reator em Lote (SBR)

Um reator de batelada sequencial (SBR) é um sistema de lodo ativado que trata as águas residuais sendo enchidas e depois drenadas.

Neste sistema, as águas residuais são colocadas em um único reator de batelada.

Dois ou mais reatores de batelada são usados ​​em uma ordem definida para obter o melhor desempenho do sistema.

Os sistemas SBR têm sido usados ​​para tratar águas residuais de cidades e fábricas.

Equação de Balanço de Materiais

A equação de balanço de material pode ser usada para descobrir o que está acontecendo em reatores em batelada quando ocorrem reações químicas.

Por exemplo, a equação d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV pode ser usado para reatores descontínuos bem agitados porque as integrais são simples de avaliar devido à boa mistura dentro do reator.

Reatores semi-lote

Os reatores semi-batelada têm características de reatores de batelada e reatores de tanque agitado que funcionam o tempo todo (CSTRs).

Eles podem adicionar alimentação enquanto a reação está acontecendo, como os CSTRs, mas são preenchidos com reagente no início, como reatores em batelada.

Na maioria das vezes, os reatores semi-batelada são usados ​​quando uma reação precisa adicionar um reagente lentamente ou quando a reação é muito quente para ser realizada em um reator batelada.

Visão geral do reator em lote

Dica: Ative o botão de legenda se precisar. Escolha “tradução automática” no botão de configurações, se você não estiver familiarizado com o idioma falado. Pode ser necessário clicar primeiro no idioma do vídeo antes que seu idioma favorito fique disponível para tradução.

Casos de uso

Conclusão

No final, o reator de batelada é uma ferramenta importante para engenheiros químicos em muitos campos diferentes.

Ele permite que você controle as condições de uma reação com muita precisão, o que é importante para fazer produtos consistentes e de alta qualidade.

Mas, embora o reator em batelada seja uma grande peça de tecnologia, não é uma cura para tudo.

Não pode ser usado para todo tipo de reação porque tem algumas falhas.

Como engenheiros, é nosso trabalho continuar apresentando novas ideias e experimentando novas tecnologias que possam nos ajudar a contornar esses problemas e facilitar a fabricação de produtos químicos complexos.

Podemos fazer um futuro melhor para nós mesmos e para o planeta se ultrapassarmos os limites do que é possível.

Portanto, vamos continuar procurando e tentando coisas novas para encontrar soluções melhores, mais eficientes e de longo prazo.

Links e referências

Saldos Molares:

https://www.pearsonhighered.com/assets/samplechapter/0/1/3/5/0135317088.pdf

Reatores em Engenharia de Processos:

https://www.researchgate.net/publication/241765470_Reactors_in_Process_Engineering