Reatores Químicos I

Objectivos

Pretende-se que os alunos adquiram os conceitos básicos da Engenharia da Reacção Química, de tal modo que no fim deste curso tenham adquirido competências para:

Determinação da lei cinética correspondente a uma dada reacção química, com cálculo dos respectivos parâmetros;

Deduzir a lei cinética a partir de um mecanismo reaccional proposto;

Dimensionar reactores químicos ideais, funcionando em fase homogénea e em condições tanto isotérmicas como não isotérmicas, de modo a preencherem os objectivos da produção.

Caracterização geral

Código

10822

Créditos

6.0

Professor responsável

Isabel Maria de Figueiredo Ligeiro da Fonseca

Horas

Semanais - 6

Totais - 67

Idioma de ensino

Português

Pré-requisitos

Não há requisitos nesta unidade curricular.

Bibliografia

H. Scott Fogler

Elements of Chemical Reaction Engineering

4rd edition, Prentice-Hall, 2006.

 

Octave Levenspiel

Chemical Reaction Engineering

4th edition, John Wiley & Sons, 1998.

 

J. M. Smith

Chemical Engineering Kinetics

3rd edition, McGraw-Hill, 1981.

 

Jacques Villermaux

Génie de la réaction chimique. Conception et fonctionnement des réacteurs.

2eme tirage, Lavoisier-technique et documentation, 1985.

Método de ensino

Os métodos de ensino nesta UC incluem:

- Aulas teóricas com apoio de slides em PP;

- Aulas de laboratório e de tratamento dos resultados obtidos com recurso ao Excel como ferramenta de cálculo;

- Aulas teórico-práticas de resolução de problemas.

 

Método de avaliação

1. A avaliação na disciplina é constituída por uma parte escrita e uma parte prática. A parte escrita consiste em dois testes e/ou num exame final. A nota da prática é obtida na sequência da apresentação oral do relatório final.

2. A nota final é a média ponderada da parte escrita e da parte prática, entrando esta última com um peso de 30%. 

3. São aprovados na disciplina os alunos com nota final igual ou superior a 9,45 val. A nota correspondente à parte escrita NÃO PODE ser inferior a 9,45 val.

4. A disciplina tem frequência obrigatória, a qual é adquirida através da realização dos trabalhos práticos. A nota de frequência é a nota correspondente à parte prática da disciplina.

5. Em caso de insucesso, a nota de frequência continua válida nos quatro anos lectivos a seguir à sua aquisição, excepto no caso de ter havido alteração do elenco de trabalhos práticos. Neste último caso, a nota de frequência será apenas válida no ano lectivo seguinte, de acordo com as normas gerais de avaliação da FCT. Caso o pretenda, o aluno poderá melhorar a nota de frequência, quer repetindo os relatórios dos trabalhos práticos quer repetindo os próprios trabalhos.

6. A melhoria de nota na disciplina poderá ser obtida quer por repetição da parte escrita (testes ou exame final) quer por repetição da parte prática (relatórios dos trabalhos práticos ou os próprios trabalhos). Em todos os casos a nota final será sempre calculada de acordo com o estipulado no ponto 2.

Conteúdo

1. AULAS TEÓRICAS

1.1. Balanços Molares

1.1.1. Classificação dos reactores químicos ideais: reactores descontínuos ou Batch, reactores de tanque agitado ou CSTR, reactores tubulares ou PFR.

1.1.2. Definição de velocidade de reacção.

1.1.3. A equação geral de balanço molar.

1.1.3.1. A equação de balanço molar aplicada aos reactores Batch, CSTR e PFR.

1.1.4. Conceito de estado transiente e estado estacionário.

1.2. Métodos Gráficos de Dimensionamento de Reactores

1.2.1. Definição de conversão.

1.2.2. A equação de dimensionamento do reactor Batch.

1.2.3. Reactores contínuos: o conceito de tempo espacial.

1.2.3.1. As equações de dimensionamento dos reactores CSTR e PFR.

1.2.3.2. O dimensionamento gráfico de reactores contínuos com base no gráfico 1/(-rA) vs X. Associação de reactores em série.

1.2.3.3. O dimensionamento gráfico de reactores com base no gráfico CAo vs t.

1.3. Estequiometria e leis cinéticas

1.3.1. Definições básicas: reações elementares;-- molecularidade;-- parâmetros cinéticos: constante cinética e ordem de reacção;-- reacções não elementares;-- reacções reversíveis.

1.3.2. Reactores Batch: sistemas a volume constante e sistemas a volume variável.

1.3.3. Reactores contínuos: sistemas a caudal volumétrico constante e sistemas a caudal volumétrico variável.

1.4. Dimensionamento de reactores isotérmicos

1.4.1. Dimensionamento de reactores Batch: sistemas a volume constante e sistemas a volume variável;-- a conversão óptima e o tempo de operação óptimo.

1.4.2. Dimensionamento de reactores CSTR: sistemas a caudal volumétrico constante e sistemas a caudal volumétrico variável;-- associação em série de reactores CSTR.

1.4.3. Dimensionamento de reactores tubulares: sistemas a caudal volumétrico constante e sistemas a caudal volumétrico variável;-- caso em que há queda de pressão ao longo do reactor.

1.4.4. Reacções reversíveis.

1.5. Operação em estado não estacionário: arranque do CSTR;-- reactores semibatch : reacção com adição contínua de reagente;-- destilação reactiva;-- reactores de membrana.

1.6. Determinação de parâmetros cinéticos

1.6.1. Reactores usados para a recolha de dados cinéticos: o reactor Batch;-- o reactor CSTR;-- o reactor diferencial;-- o cesto de Carberry.

1.6.2. Os métodos diferencial e integral: escolha do método a usar de acordo com os dados experimentais obtidos (ou o reactor usado).

1.6.3. O método das meias vidas.

1.6.4. O método das concentrações de excesso: aplicação à determinação das ordens parciais de reacção.

1.6.5. O método das velocidades iniciais: aplicação às reacções reversíveis.

1.6.6. Método dos mínimos quadráticos: linearização da lei cinética;-- regressão não-linear.

1.7. Reacções homogéneas não elementares. Relação entre o mecanismo e a lei cinética.

1.7.1. Noção de passo elementar.

1.7.2. A hipótese do passo controlador.

1.7.3. Reacções envolvendo intermediários activos instáveis: a hipótese do estado pseudo-estacionário.

1.7.4. Definição de velocidade de reacção relativa no caso de um mecanismo complexo.

1.7.5. Breve referência às reacções enzimáticas e às reacções de polimerização.

1.8. Dimensionamento de reactores não isotérmicos

1.8.1. A equação de balanço de energia.

1.8.2. Reactores contínuos não isotérmicos em estado estacionário: o reactor CSTR e o reactor Tubular (PFR);-- caso especial dos reactores adiabáticos.

1.8.3. Reacções reversíveis: a conversão de equilíbrio e a temperatura de equilíbrio adiabáticas.

1.8.4. Operação em estado não estacionário: o reactor Batch.

1.8.5. Multiplicidade de estados estacionários.

1.8.6. A equação global de balanço: o termo de remoção de calor e o termo de geração de calor.

1.8.7. Breves noções de estabilidade dos estados estacionários. 1.8.8. A curva de ignição-extinção.

1.9. Reacções múltiplas

1.9.1. Noções de selectividade e rendimento.

1.9.2. Sistemas de reacções em paralelo e sistemas de reacções em série (ou consecutivas). Aplicação aos reactores CSTR e PFR.

1.10. Reactores não ideais

1.10.1. Caracterização do escoamento por utilização de "traçadores"

1.10.2. Modelação de reactores reais por associação de reactores ideais

2. AULAS PRÁTICAS

2.1. Obtenção experimental de uma curva cinética para dimensionamento gráfico de reactores contínuos

2.2. Determinação da ordem global da reacção pelo método das velocidades inciais

2.3. Determinação da ordem parcial pelo método do reagente em excesso

2.4. Cálculo da energia de activação

2.5. Hidrólise do acetato de etilo num reactor tubular não isotérmico

3. AULAS TEÓRICO-PRÁTICAS

3.1. Dimensionamento gráfico de reactores contínuos

3.1.1. Construção da curva 1/(-rA) vs conversão a partir dos valores experimentais de concentração versus tempo

3.1.2. Ajuste de um modelo cinético aos valores experimentais

3.1.3. Comparação da curva simulada com a curva experimental

3.1.4. Determinação dos volumes de um reactor CSTR e um reactor PFR, para condições dadas de alimentação e conversão

3.2. Determinação de parâmetros cinéticos a partir de dados cinéticos recolhidos na aula prática de laboratório

3.2.1. Uso dos métodos integral e diferencial

3.2.2. Método das velocidades iniciais e método das concentrações de excesso

3.2.3. Determinação das ordens global e parcial de reacção bem como das constantes cinéticas directa e inversa numa reacção reversível

3.3. Simulação dos perfis de conversão e temperatura num reactor tubular não isotérmico, com base nos dados recolhidos no laboratório

3.4. Resolução de problemas tipo

Cursos

Cursos onde a unidade curricular é leccionada: