A área da reacção química é uma das áreas fundamentais dos curricula de engenharia química, e fornece as ferramentas para compreender os processos químicos onde as reacções químicas têm lugar (reactores). Após a realização do First European Symposium on Chemical Engineering Reaction, em 1957, esta área passou a ser frequentemente designada por “Engenharia da Reacção Química”. Esta linha de investigação tem dado um contributo imensurável, em particular, para o conhecimento, optimização e projecto dos reactores químicos, e consequentemente para a indústria química em geral. De acordo com as palavras do professor emérito Octave Levenspiel, que publicou um livro pioneiro nesta área em 1962, o reactor químico pode ser considerado como o coração dos processos químicos. A indústria química tem tido desenvolvimentos significativos, potenciados pela procura de novos produtos, ou simplesmente por razões de optimização, exigências de segurança, ou inovações ao nível do design. Nas últimas décadas, também os requisitos ambientais têm provocado alterações nos processos químicos em geral, bem como no design de reactores em particular. Actualmente, a sustentabilidade ambiental pode ser tida em conta durante a fase de projecto dos reactores.
Para se compreender, modelar, optimizar, dimensionar e controlar os reactores químicos, é necessário dispor de uma séria de informação essencial. A título de exemplo, podem referir-se os parâmetros relacionados com a transferência de massa e de calor, as propriedades dos fluidos e dos materiais do reactor, dados termodinâmicos (entalpias das reacções, capacidades caloríficas), bem como as leis cinéticas das reacções envolvidas. A modelação matemática deste tipo de sistemas, permite ter capacidade de previsão, bem como optimizar o seu funcionamento no sentido de obter rendimento máximo. Nos modelos matemáticos mecanísticos, para além da reacção química, são também tidos em conta os mecanismos de transferência de massa e calor, sendo possível estudar o comportamento estacionário ou dinâmico do reactor. Modelos matemáticos mais sofisticados podem ainda ter em conta as questões hidrodinâmicas, e as não idealidades inerentes a este tipo de processos. A Fig.1 mostra esquematicamente, a importância da modelação matemática na área da engenharia da reacção química.
Figura 1- Relação entre a modelação matemática de reactores químicos e aspectos relevantes na engenharia da reacção química.
Os reactores químicos utilizados na indústria, à escala piloto ou mesmo ao nível de estudos laboratoriais podem envolver princípios e design muito diversificado. Ainda assim, podem usar-se algumas característica operacionais ou de design para a sua classificação, Fig. 2.
Figura 2- Classificações usuais de reactores químicos, com base: (a) – modo de operação; (b)- tipo de reacção; (c)- número de fases na mistura reaccional; (d)- geometria do reactor.
Apesar da engenharia da reacção química não ser uma área recente, têm-se observado consideráveis inovações ao nível do design de reactores. A Fig.3 mostra esquemas de reactores considerados clássicos, e na Fig. 4 indicam-se alguns reactores designados de novel reactors.
Figura 3 - Reactores Químicos com um design clássico: (a) Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR); (b) - Reactor Descontínuo; (c) Reactor Semi-Descontínuo; (d) - Bateria de CSTR; (e) - Reactor Tubular; (f) - Reactor Tubular de Leito Fixo.
Figura 4- Reactores Químicos com um design inovador (novel reactors): (a) Reverse Flow Reactors; (b) Reactor de Membranas; (c) Reactores com Catalisador Estruturado; (d) - Trickle-Bed Reactors (L-fase líquida; G- fase gasosa; S- fase sólida).
A descoberta de catalisadores sólidos, no início do sec. XX, e as suas aplicações nos processos químicos provocaram, de certo modo, uma revolução na indústria química. A maior parte dos processos catalíticos é levada a cabo em reactores de leito fixo (fixed bed reactors), que requerem uma abordagem matemática mais complexa do que os reactores ideais em fase homogénea, uma vez que tem de ser tida em conta a sua natureza heterogénea e multiescala. Os reactores de leito fixo podem ser encontrados principalmente na indústria química de base (e.g. steam reforming, síntese de amónia), na indústria petroquímica (e.g. produção de anidrido ftálico, butadieno) ou nas refinarias de petróleo (e.g. hydrocracking). Por razões de produtividade e devido aos avanços tecnológicos, os reactores de leito fixo surgem em unidades de grande capacidade, frequentemente na forma multitubular, podendo em alguns casos atingir os milhares de tubos. Neste âmbito, são abordados neste portal dois casos de estudo de grande relevância ao nível industrial: síntese do anidrido ftálico e síntese do formaldeído. Deve referir-se que os principais problemas neste tipo de unidades estão relacionados com a transferência de calor e com as perdas de carga.
Uma valiosa ferramenta na análise do bom funcionamento de reactores químicos, que permite compreender e quantificar os desvios ao comportamento ideal dos reactores é a bem estabelecida teoria da Distribuição de Tempos de Residência (DTR). Esta abordagem, apesar de poder ser aplicada aos processos químicos em geral, pode dar importantes contributos na área da engenharia da reacção química. Esta temática também mereceu particular atenção neste portal.
Deve ainda salientar-se que muitos dos conceitos desenvolvidos na área da engenharia da reacção química têm tido aplicação e ajudado a desenvolver muitas outras áreas, das quais se destaca a biotecnologia e o ambiente. Cada vez mais, os engenheiros químicos ou profissionais de áreas afins devem usar os meios tecnológicos, não só com base em critérios de engenharia e económicos, mas também assegurando o bem estar social e a sustentabilidade ambiental.
Indica-se abaixo uma lista de referências bibliográficas, que na generalidade podem ser encontradas na biblioteca do Departamento de Engenharia Química da Universidade de Coimbra, e que permitem aprofundar muitas das matérias inerentes à engenharia da reacção química.
Bibliografia
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Villermaux , J., Génie de la Reaction Chimique" - Conception et Fonctionnement des reacteurs, Tec & Doc, 1993.
Link na Internet
http://www.engin.umich.edu/~cre/
