Etapas do módulo de troca térmica

Inicialmente, ao clicar na opção ’Troca térmica’ da Figura 3.1, abre-se a tela inicial deste módulo (Figura 3.32), a qual possui uma imagem mostrando o passo-a-passo para guiar o usuário quando for projetar o reator, seguido do botão ’Iniciar’ que principia a simulação.

Figura 3.32 – Tela inicial de reator com troca térmica com reação única

Na etapa 1 (Figura 3.33), é visualizada a lei de velocidade para cada tipo de reação. O preenchimento desta tela é igual ao feito na primeira etapa do módulo adiabático, com exceção de que não há o campo de entrada da conversão. É nesta tela

que é possível realizar a inserção das entradas para se determinar as duas constantes de reação, igual a forma como é feita no módulo adiabático.

Figura 3.33 – Etapa 1 do reator com troca térmica

Na etapa 2 (Figuras 3.34 e 3.35), a forma de preenchimento e o cálculo da concentração inicial são iguais ao feito no módulo adiabático com a adição do campo de entrada ’Volume final’ (etapa 2 da Figura 3.34).

Figura 3.35 – Continuação da etapa 2 do reator com troca térmica

Na terceira e última etapa (Figura 3.36), o usuário deve preencher os parâ- metros que envolvem a troca térmica com o meio refrigerante/aquecimento do trocador de calor, os quais são: coeficiente global e área de troca térmica, temperatura e tipo de escoamento do meio. Caso o tipo de escoamento não esteja definido, não será pedido o fluxo molar e a capacidade calorífica do meio.

Ao final da inserção das entradas, caso estas estejam corretas, outra interface é aberta ao clicar no botão ’Gráficos’ (etapa 5 da Figura 3.36), de modo que sejam visu- alizados os gráficos e resultados finais (Figura 3.37) obtidos. Caso contrário, é mostrado um relatório de erros.

Figura 3.37 – Interface do gráfico e tabela com resultados finais dos reatores com troca térmica

3.2.3.1 Simulação da reação irreversível endotérmica

O caso de estudo 3 é uma reação irreversível e endotérmica na fase líquida de uma reação elementar a 450 K com entrada equimolar dos reagentes.

A + B −−→ C

Os resultados obtidos do REAJA foram comparados com os resultados do método Runge-Kutta/Excel (RK) através do cálculo do erro relativo (Tabela 3.21).

Tabela 3.21 – Erros relativos máximos entre entre RK/Excel e o REAJA de cada variável calculada na simulação do caso 3 do módulo com troca térmica

Parâmetros PFR (%) CSTR (%) Concentração A 0,003 -0,002 Concentração B 0,003 -0,002 Concentração C 0,009 0,003 Volume 0,000 -0,111 Conversão 0,009 0,003 Temperatura 0,003 0,009

Temperatura do meio refrigerante 0,002 -0,001

Pela Tabela 3.21, observa-se que os erros foram muito baixos (menores que 0,2%), dentre os quais, a maioria são referentes ao reator PFR, possivelmente, pela dife- rença que cada método numérico possui para convergência dos valores, enquanto que a planilha do reator CSTR é a resolução de um sistema de equações não-lineares.

As Figuras 3.38 e 3.39 mostram a comparação entre os resultados do método Runge-Kutta/Excel com os valores obtidos pelo REAJA.

Figura 3.38 – Perfil da conversão do reagente A do caso de estudo 3 em função do volume para dois tipos de reatores - comparação entre os resultados gerados do método Runge-Kutta/Excel e REAJA

(a) CSTR

Figura 3.39 – Perfil da temperatura da reação (T) e do meio de troca térmica (Tm) para o caso de estudo 3 em função do volume para dois tipos de reatores - comparação entre os resultados gerados do método Runge-Kutta/Excel e REAJA

(a) CSTR

(b) PFR

Este caso de estudo e o próximo (subseção 3.2.3.2) não foram simulados no ASPEN, porque é preciso que todos os componentes da reação sejam especificados neste simulador, o que para fins didáticos configura uma vantagem ao REAJA.

3.2.3.2 Simulação da reação reversível exotérmica

O caso de estudo 5 é uma reação reversível e exotérmica na fase líquida de uma reação elementar a 450 K com entrada equimolar dos reagentes.

A + B ←−→ C

Os resultados obtidos pelo REAJA foram comparados com os resultados do método Runge-Kutta/Excel (RK) através do cálculo do erro relativo como mostrado na Tabela 3.22.

Tabela 3.22 – Erros relativos máximos entre RK/Excel e o REAJA de cada variável cal- culada na simulação do caso 5 do módulo com troca térmica

Parâmetros PFR (%) CSTR (%) Concentração A -0,003 0,000 Concentração B -0,003 0,000 Concentração C 0,009 0,000 Volume 0,000 0,194 Conversão de equilíbrio 0,015 0,049 Conversão 0,009 0,000 Temperatura 0,006 -0,005

Temperatura do meio refrigerante -0,009 0,001

Observa-se que os erros foram muito baixos (menores que 0,2%) e a maioria os maiores erros são referentes ao reator PFR, possivelmente, pela diferença que cada método numérico possui para convergência dos valores, enquanto que a planilha do reator CSTR é a resolução de um sistema de equações não-lineares.

As Figuras 3.40 e 3.41 mostram a comparação dos resultados entre o método Runge-Kutta/Excel e os valores obtidos pela simulação/REAJA.

Figura 3.40 – Perfil da conversão do reagente A do caso de estudo 5 em função do volume para dois tipos de reatores - comparação entre os resultados gerados do método Runge-Kutta/Excel e REAJA

(b) PFR

Figura 3.41 – Perfil da temperatura da reação (T) e do meio de troca térmica (Tm) para o caso de estudo 5 em função do volume para dois tipos de reatores - comparação entre os resultados gerados do método Runge-Kutta/Excel e REAJA

(a) CSTR

3.2.3.3 Simulação do craqueamento da acetona

Os casos de estudo 8 e 9 se referem a reação irreversível do craqueamento da acetona (A) em ceteno (C) e metano (D) na fase vapor a 1035 K e 162 kPa.

CH₃COCH_3(g)(A) −−→ CH₂CO_(g)(C) + CH_4(g)(D)

Estes casos foram simulados no REAJA e no ASPEN Plus○R_{, porém neste}

último, somente o reator PFR foi simulado, pois não tem a funcionalidade de simular o CSTR com troca térmica, sendo um diferencial para o REAJA.

Os resultados obtidos no REAJA e no ASPEN estão listados na Tabela 3.23. Nota-se que os erros relativos obtidos foram altos, em torno de 10%, e além disso, em ambos os casos para o ASPEN Plus○R_{, a conversão foi praticamente 0, enquanto que para}

o REAJA, atingiu 33% para o caso 7, e 24% para o caso 8.

Em ambos os casos para o ASPEN, a temperatura do reator se igualou com a temperatura do meio de aquecimento, enquanto que no REAJA, não ocorreu o mesmo, sendo necessário que houvesse um aumento no volume do reator PFR para que ocorresse este evento.

Tabela 3.23 – Comparação das temperaturas do craqueamento da acetona entre os simu- ladores REAJA e ASPEN Plus○R

Caso de estudo Local da temperatura Temperatura no REAJA Temperatura no ASPEN ER (%) Caso 7 PFR 787,85 o_{C 876,85} o_{C 10,15} Meio de aquecimento (temperatura constante em 876,85 oC) 876,85 o_{C 876,85} o_{C 0,000} Caso 8 PFR 712,65 o_{C 802,47} o_{C 11,2} Meio de aquecimento (temperatura variante com valor inicial de 976,85 o_C)

723,65 o_{C 805,732}o_{C 10,2}

O volume do reator para ambos os casos foi de 1 L, isto explica a baixa conver- são e igualdade entre as temperaturas do reator e do meio, já que era um reator pequeno. Contudo, para o REAJA, muitas considerações limitaram o alcance deste resultado, tanto a entalpia como a capacidade de calorífica não variam com a temperatura, possuindo valo- res fixos, e pela reação seguir a lei da potência, temperaturas altas aumentam a velocidade

de reação. Nota-se que os menores valores alcançados de temperatura foram no REAJA, logo a velocidade de reação é menor que no ASPEN Plus○R_.