Reator químico

Um reator químico é um aparelho ou recipiente para conter e controlar reações químicas.

Um reator químico, especialmente na indústria, é um grande recipiente, como uma cuba, para processos nos quais as substâncias envolvidas sofrem uma reação química.

Os reatores químicos são o centro de todas as indústrias de processos químicos, pois permitem a transformação das matérias-primas em produtos de alto valor agregado.

Este equipamento define todo o processo, uma vez que o processo de preparação das matérias-primas depende das condições de reação assim como os efluentes do reator determinam a estratégia de separação e a dificuldade de se obter os produtos desejados com a pureza adequada.

Os reatores, nos quais os produtos químicos são produzidos na indústria, variam em tamanho de alguns cm³ até as vastas estruturas que costumam ser retratadas em fotografias de plantas industriais. Por exemplo, fornos que produzem cal de calcário podem ter mais de 25 metros de altura e conter, a qualquer momento, bem mais de 400 toneladas de materiais.

O projeto do reator é determinado por muitos fatores, mas de particular importância são a termodinâmica e a cinética das reações químicas que estão sendo realizadas.

Os dois tipos principais de reator são denominados: descontínuo e contínuo.

O que é um reator químico?

Um reator químico é um dispositivo usado para conter reações químicas controladas. As reações ocorrem dentro do reator, em condições que podem ser monitoradas e controladas para segurança e eficiência.

Esses tipos de reatores são usados na produção de produtos químicos, como componentes de compostos farmacêuticos, e podem operar de diversas maneiras.

Diversas empresas de especialidades científicas produzem reatores químicos e acessórios, como componentes de reposição para dispositivos danificados.

Os reatores químicos podem ser projetados como tanques ou tubos, dependendo das necessidades, e podem variar consideravelmente em tamanho.

Projetos de reatores químicos de bancada pequenos são destinados ao uso em laboratórios, por exemplo, enquanto grandes tanques podem ser usados para fazer produtos químicos em escala industrial.

O projeto também inclui uma variedade de recursos que podem ser usados para controlar as condições dentro do reator.

Com um reator químico descontínuo, os componentes da reação são adicionados ao reator e uma reação controlada pode ocorrer. Quando a reação terminar, o lote pode ser removido e o reator pode ser preparado para outra rodada. Esse tipo de reator funciona melhor quando as pessoas precisam de produtos químicos em pequena escala, como, por exemplo, quando químicos de pesquisa estão preparando compostos para pesquisas farmacêuticas.

Os reatores químicos contínuos operam continuamente, desde que os materiais necessários para a reação sejam fornecidos. Eles são usados para criar um suprimento constante de um produto químico necessário.

Reatores contínuos são comumente usados na fabricação de produtos químicos industriais, quando a necessidade de um produto químico é alta e muito consistente.

Esses reatores são desligados periodicamente para manutenção ou quando não são necessários, caso em que etapas especiais podem ser necessárias quando forem reiniciados para que sua funcionalidade não seja prejudicada.

Esses dispositivos são projetados por engenheiros químicos que estão familiarizados com as necessidades dos reatores químicos e as várias maneiras em que podem ser usados. Para aplicações especiais, um engenheiro pode projetar um reator customizado que é especificamente construído para o propósito, caso em que o engenheiro também está envolvido no projeto do espaço onde o reator será usado, para garantir que esteja em conformidade com as diretrizes de segurança e confirme se o espaço foi devidamente projetado para acomodar o reator químico.

Químicos empreendedores também podem construir seus próprios reatores químicos para projetos específicos.

Embora existam algumas medidas de segurança que precisam ser tomadas para garantir que o reator funcione de forma segura e adequada, os princípios básicos por trás do projeto de reatores químicos são geralmente relativamente simples.

Descrição geral e tipos de reatores

As reações químicas pertencentes às indústrias química, petroquímica e petrolífera são realizadas em aparelhos especiais denominados reatores.

Existem diferentes tipos de reatores destinados a enfrentar condições de operação extremamente variadas, tanto em termos da natureza das espécies químicas envolvidas (reagentes e produtos da reação) quanto das condições físicas sob as quais operam.

Em geral, um reator químico deve ser capaz de realizar pelo menos três funções: fornecer o tempo de residência necessário para que os reagentes completem a reação química; permitir a troca de calor necessária; coloque as fases em contato íntimo para facilitar a reação.

Assim, os tipos de reatores variam de reatores contínuos de grande dimensão, como aqueles adotados para reações de craqueamento catalítico, especificamente para refinarias de petróleo, a dispositivos de dimensões modestas, como reatores agitados descontínuos nos quais são realizadas reações químicas finas e secundárias.

Além disso, existem reatores para aplicações microeletrônicas sofisticadas e reatores de dimensões microscópicas (microrreatores), projetados para instalações biomédicas ou para a produção in situ de compostos extremamente tóxicos ou perigosos.

Tanto conversores quanto queimadores, catalíticos ou não, adotados para produção de energia também podem ser listados entre os reatores. Para classificar um reator, deve-se levar em consideração o número de fases no próprio reator, existindo ou não sistemas de agitação e o modo de operação (reator contínuo, semicontínuo ou descontínuo).

Também deve ser observado que a maioria dos reatores químicos são equipados com aparelhos de troca de calor na forma de camisas externas ou bobinas internas com um fluido fluindo através deles para atuar como vetor atérmico para permitir o fornecimento ou remoção de calor.

Os fatores que influenciam principalmente a escolha do tipo de reator são: o número de fases envolvidas e, portanto, se é necessário ou não fornecer sistemas de agitação específicos; obter e manter o ótimo temperatura e pressão para a reação; e a escala de produção, que muitas vezes determina o modo de operação contínua ou descontínua

No que diz respeito às fases, os reatores mais simples são reatores homogêneos, onde uma única fase gasosa ou líquida é geralmente agitada para evitar a presença de zonas de estagnação.

A reação pode ser operada em modo descontínuo, carregando a mistura de reagentes no reator e esperando até que o processo seja concluído, ou em modo contínuo, fazendo com que uma corrente contendo os reagentes flua para o reator e extraindo outra corrente contendo os produtos da reação.

Exemplos típicos de reatores homogêneos são esses para craqueamento térmico e para insolução de polimerização.

Reatores heterogêneos são mais complexos, nos quais reagentes, produtos e um possível catalisador podem estar presentes em fases indiferentes.

Um exemplo é o reator fluido-sólido (gás-solidor líquido-sólido), onde reações catalíticas heterogêneas são realizadas.

Outro exemplo clássico é o reator tubular, que permite o controle preciso da temperatura devido à sua extensa superfície externa disponível para troca de calor; na verdade, é projetado como uma configuração de feixe tubular, muitas vezes, onde um grande número de reatores são conectados em paralelo, através de cada um dos quais passa uma fração da taxa de fluxo.

Outro exemplo é o aerossolreactor, adotado pela indústria de novos materiais, onde partículas sólidas são sintetizadas a partir de reagentes em fase gasosa.

Os reatores gás-liquidificador líquido-líquido são ainda mais complexos, nos quais os principais reagentes se distribuem entre as duas fases, imiscíveis entre si, mas entre as quais é necessário realizar contato íntimo para facilitar o progresso da reação. Reatores multifásicos, como os reatores gás-líquido-sólido, também existem; o reator de leito lento, usado para realizar reações de hidrogenação ou reações de oxidação catalítica para reagentes líquidos, é um exemplo clássico.

As reações envolvendo reagentes gasosos são geralmente realizadas em reatores tubulares, geralmente operando em regime inturbulento; se um catalisador sólido estiver envolvido, ele geralmente é organizado como um leito de partículas, geralmente em uma forma esférica ou cilíndrica.

Se as características mecânicas do catalisador forem apropriadas e se a troca de calor eficiente for necessária para controlar a temperatura da reação com precisão, reatores de leito móveis também podem ser usados; o exemplo mais importante de trata-se do reator de leito fluidizado, no qual a velocidade da fase gasosa em contato com as partículas catalíticas de pequena dimensão é capaz de manter essas partículas em movimento, obtendo um alto grau de agitação e mistura.

Outros tipos de reatores de leito, dependendo das características dinâmicas de fluido do leito, são: leitos fluidizados em ebulição (onde o movimento do sistema de duas fases se assemelha ao de um líquido em ebulição); leitos fluidizados arrastados (onde os gases arrastam todas as partículas no leito com seu movimento) e finalmente leitos fluidizados jorrados (onde as partículas no leito são arrastadas em alta velocidade para um primeira área particular no reator pelos gases e permitiu estabelecer-se em uma porção estagnada próxima)

As reações de fase líquida são realizadas principalmente em reatores agitados em forma de tanque. A agitação é induzida mecanicamente por hélices ou agitadores de pás planas, dependendo do tipo de circulação de fluido a ser realizada dentro do reator. A agitação é necessária tanto para obter um contato efetivo entre o líquido e as superfícies instaladas para troca de calor (esta necessidade também é o caso para sistemas homogêneos) e, com um contato próximo resultante, para garantir uma boa dispersão entre as fases em sistemas heterogêneos.

Se um catalisador sólido estiver presente, ele pode ser mantido em cestos convenientemente posicionados para permitir o contato com a fase líquida; os reatores de lama do catalisador podem ser uma suspensão dentro da própria fase líquida. Os reatores de tanque agitado podem ser operados em modo descontínuo (reatores em lote) ou continuamente.

As reações envolvendo uma fase gasosa e uma fase líquida, ou duas fases líquidas, devem ser realizadas em reatores capazes de garantir um contato eficiente entre as duas fases por meio de agitadores apropriados.

Às vezes, misturadores estáticos, feitos de esferas de enchimento particulares, podem também pode ser usado, através do qual as duas fases a serem colocadas em contato fluem contra-corrente (devido à sua diferença de densidade) dentro de seus canais.

Os reatores nos quais os misturadores estáticos são usados são caracterizados pelo desenvolvimento vertical elevado para aumentar a agitação induzida pela diferença de densidade entre as duas fases: a fase de menor densidade é alimentada do fundo e coletada no topo, enquanto a outra segue o caminho oposto. Em reatores gás-líquido, essa configuração é chamada de coluna de bolha; existem diferentes configurações, destinadas a aumentar a agitação e, assim, o contacto entre as fases, sem recurso a dispositivos de agitação mecânica.

O exemplo mais importante é o air-liftreactor, onde a diferença de densidade entre duas porções de reator conectadas é explorada para iniciar um movimento de convecção natural vortical.

Concluindo, é importante citar também alguns reatores atípicos, adotados para aplicações especiais.

Em primeiro lugar, existe o conversor catalítico, um reator catalítico heterogêneo típico no qual os gases de exaustão dos veículos são colocados em contato com um catalisador cujo elemento ativo é um metal anóbico, geralmente platina, apoiado em uma matriz cerâmica, geralmente uma estrutura monolítica em favo de mel. Dentro desse reator, o monóxido de carbono se oxida em dióxido de carbono e os óxidos de nitrogênio se reduzem a nitrogênio elementar. O oxidante utilizado na primeira reação é o oxigênio ainda presente nos gases de exaustão, enquanto os combustíveis para a reação de redução são os traços de hidrocarbonetos não queimados.

A opção pela adoção de estruturas monolíticas permite a redução das quedas de pressão e a realização de trocas térmicas eficientes.

Outros reatores heterogêneos importantes são os reatores biológicos, onde as enzimas que catalisam o processo de fermentação são suportadas em matrizes sólidas apropriadas. Neste campo, as aplicações mais inovadoras são aquelas feitas em biorreatores onde colônias de células selecionadas podem proliferar em uma matriz polimérica biocompatível.

Os reatores eletroquímicos são caracterizados por terem dois eletrodos, cada um em um potencial diferente, entre o qual flui uma corrente elétrica transportada pelos íons contidos na solução eletrolítica, onde ambos estão imersos. Dessa forma, é possível realizar importantes processos industriais baseados em reações redox, como os processos cloroalcalinos, que utilizam energia elétrica em vez de térmica.

Reatores eletroquímicos podem ser comparados a células a combustível com membrana polimérica, onde ocorre uma reação de combustão envolvendo hidrogênio (ormetanol) e oxigênio, alimentando os dois gases nos dois eletrodos, separados por uma membrana de troca iônica, para possibilitar a geração de corrente elétrica.

Os dois reatores acima também podem ser classificados como reatores de membrana, onde uma membrana semi-permeável permite a separação de um dos produtos da reação diretamente do ambiente de reação, contribuindo assim para uma melhoria na seletividade dos processos em consideração. Atualmente, a ampla aplicação desses reatores é limitada pela disponibilidade de membranas eficientes.

Por último, mas não menos importante, os reatores usados em microeletrônica, onde processos de deposição de vapor químico são realizados, são de particular importância; esses reatores, operando em condições descontínuas e em altas temperaturas, permitem a realização de condições de processo extremamente controladas de forma a obter níveis de tolerância altamente contidos tanto da espessura quanto da fologia cristalina do semicondutor depositado.

Reator químico industrial

Fonte: www.essentialchemicalindustry.org/ftp.feq.ufu.br/www.seas.ucla.edu/www.treccani.it/www.wisegeek.org/www.yourdictionary.com/abeq.org.br/www.researchgate.net/www.longdom.org