Reator batelada com reação exotérmica e falha de agitação
Um reator batelada encamisado de 5 m³ produz um intermediário por reação exotérmica de primeira ordem, com calor de reação de −120 kJ/mol e energia de ativação de 85 kJ/mol. O procedimento carrega 3 m³ de reagente a 0,8 mol/L, aquece a 70 °C e mantém a camisa com água a 25 °C para remover o calor. Em um turno, o agitador parou por 12 minutos sem alarme, e a temperatura medida no poço subiu de 70 para 96 °C; o operador reiniciou a agitação imediatamente. O lote foi aprovado por análise de pureza, mas o supervisor questiona a segurança e a qualidade. A planta não possui calorimetria reacional e o sistema de alívio foi dimensionado para 70 °C.
1. Explique por que a parada de agitação é perigosa mesmo com a camisa resfriada e estime a implicação térmica.
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Sem agitação, o calor gerado fica acumulado localmente e a transferência para a camisa cai drasticamente, pois o coeficiente externo depende da convecção forçada. A massa de reagente é 3 m³ · 0,8 mol/L = 2.400 mol; se uma fração pequena converter durante os 12 minutos, a energia liberada é grande: 10% de conversão libera 2.400 · 0,1 · 120 kJ = 28,8 MJ, suficiente para elevar a temperatura de vários graus na massa, e mais ainda em regiões estagnadas. O aumento de 26 °C observado no poço indica acúmulo de calor e possível gradiente interno. Como a constante de velocidade cresce com a temperatura (Ea alta), há risco de aceleração e runaway ao religar a agitação, misturando massa quente com reagente frio.
2. Que decisões imediatas e que mudanças de engenharia você recomendaria antes de liberar novos lotes?
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Imediatas: bloquear novos lotes, investigar o lote quanto a subprodutos e degradação térmica (pureza aprovada não garante ausência de impureza crítica), revisar o registro de temperatura e verificar o sistema de alívio, que foi dimensionado para 70 °C e pode ser insuficiente. Engenharia: instalar intertravamento que corte a alimentação de calor e acione alarme na falha de agitação; adicionar sensor de temperatura redundante e detector de rotação; realizar estudo calorimétrico para obter curva de potência térmica e definir temperatura máxima de segurança; rever o dimensionamento do alívio e considerar inibidor ou modo semibatelada. Só liberar após demonstrar que a temperatura máxima adiabática e a de decomposição têm margem.