Controle de temperatura em reatores químicos | Biovera
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O Controle de temperatura em reatores químicos é extremamente importante, tanto para os processos de pesquisa e desenvolvimento, quanto para os processos industriais, principalmente quando temos processos endotérmicos ou exotérmicos.
Mas o que é um reator químico?
Um reator químico é um "vaso" onde circulamos externamente um fluido térmico a uma determinada temperatura.
Ele pode ser basicamente de dois materiais: de vidro ou de aço.
Os reatores de aço permitem rápidas respostas e maiores velocidades na alteração da temperatura da reação, além de trabalhos a temperaturas mais elevadas.
Entretanto, possuem uma desvantagem que muitos clientes reclamam: impossibilitam a inspeção visual da reação, muito importante na maioria dos casos.
Considerando as vantagens oferecidas por um reator químico de vidro, daremos foco neste sistema.
Um reator químico é um vaso de vidro jaquetado, ou seja, possui duas paredes de vidro. Entre estas paredes de vidro, circulamos o fluido térmico bombeado pelo termostato dinâmico Presto, na temperatura desejada.
Dentro da parede interna, teremos nosso meio reacional, ou seja, onde ocorrerão as reações químicas.
O reator jaquetado também é chamado de reator encamisado ou vaso encamisado.
O reator químico é normalmente comercializado como um sistema de reação, ou seja, um sistema completo com todos os componentes necessários para o imediato funcionamento.
Este sistema de reação possui muitos componentes, mas em resumo, temos:
Suporte de sustentação do sistema
Vaso de reação jaquetado com válvula de fundo
Tampa com bocas
Agitador mecânico de hélice e sistema de agitação, compreendendo eixo de agitação em vidro e impelidores/hélices em teflon, ambos materiais inertes quimicamente
Podemos citar como exemplo os sistemas de reação da Chemglass, marca representada pela Biovera com exclusividade no Brasil.
A Chemglass fabrica sistemas de reação de bancada (de 300 ml até 5 Litros de capacidade) e sistemas de piso (de 10 a 100 litros). Portanto, atende a processos de pesquisa e desenvolvimento, educacionais, escala piloto e até mesmo escala industrial para alguns processos.
Como escolher o reator químico ideal?
A escolha do reator químico se dá inicialmente pela definição do volume de amostra que será processada, considerando que trabalhamos em média com 80% da capacidade nominal do vaso. Portanto, para um reator de 20 L de capacidade, trabalharemos com aproximadamente 16 L de amostra.
Também devemos considerar a tecnologia de fabricação, que irá garantir uma boa troca térmica entre o óleo de silicone e o meio reacional. Paredes com espessura adequada e homogênea, o correto posicionamento da entrada e saída do fluido térmico, o formato do fundo e uma adequada proporção diâmetro x altura garantem a melhor performance do sistema.
Ainda precisamos avaliar outro componente importante do sistema de reação: o agitador mecânico utilizado.
Utilizando materiais de alta qualidade, e com um processo de fabricação verticalizado, seus reatores químicos possuem excelente qualidade, e ótimo custo benefício no mercado mundial.
Isso se faz necessário pois, dependendo da viscosidade da amostra, precisamos de um agitador com força adequada (torque) para realizar a correta mistura do meio reacional.
Para os sistemas de reação de piso, de 10 a 100L, dispomos de agitadores mecânicos elétricos, ou pneumáticos. Nos agitadores elétricos, temos modelos com motor ATEX (à prova de explosão) disponíveis.
Outro ponto importante: O preço do reator químico. A Biovera possui preços competitivos e, portanto, seu sistema de reação terá um preço altamente competitivo, considerando é claro toda a tecnologia e qualidade embarcada no sistema de reação.
Para reduzir ainda mais o investimento dos nossos clientes, também podemos ofertar o mesmo por Importação direta ou nacionalizado.
Complementando a escolha do seu reator químico, é importante avaliar quais acessórios serão necessários para otimização do sistema.
Acessórios para reatores químicos
Quando falamos dos acessórios para os sistemas de reação, temos uma grande variedade, como por exemplo:
Sistema de Manifold: é um sistema de mangueiras, com válvula, facilitando a drenagem de fluido térmico para remoção do vaso de reação. Este sistema também evita com que o peso das mangueiras seja "suportado" diretamente pelo vaso do reator químico, minimizando a formação de micro trincas ao longo dos anos e aumentando assim a vida útil da vidraria
Sistema de lavagem de gases (Gas Scrubber)
Funil de adição de pós e líquidos
Sistemas de medição de pH, oxigênio dissolvido, dentre outros.
Detalhando o controle de temperatura em um reator químico
Tanto a liberação de energia (exotermia) quanto a remoção de energia (endotermia) de um meio reacional fazem com que o sistema de controle de temperatura em reatores químicos seja ainda mais crítico e de difícil controle.
Isso se deve à necessidade de uma rápida resposta do sistema de controle de temperatura, evitando assim que o processo tenha seus parâmetros de controle "perdidos" e para que ocorra uma "compensação" da mesma, através do fornecimento ou retirada de energia do reator químico.
Portanto, uma resposta imediata do sistema de controle de temperatura será consequência do equipamento para controle da temperatura que for escolhido para trabalhar em conjunto com o reator químico.
Já falamos em outros post sobre os banhos termostáticos e suas variações. Entretanto, sabemos que estes sistemas de controle de temperatura não possuem uma velocidade de resposta muito grande e para trabalhar em uma ampla faixa de temperatura, as vezes precisamos de dois fluidos térmicos diferentes. Então, se você possui um reator químico, ou outro processo similar (como um fermentador) e não existe exotermia ou endotermia, é provável que um banho termostático atenda suas necessidades.
Agora, se existe exotermia ou endotermia, em condições que precisam de controle rigoroso da mesma, assim como a necessidade de trabalhar com o mesmo fluido térmico em uma ampla faixa de temperatura, recorremos a tecnologia dos termostatos dinâmicos.
Fabricados pela Julabo na Alemanha, possuem alta qualidade e tecnologia para o correto controle de temperatura em reatores. Os mesmos são divididos em duas linhas, os Termostatos Presto e os Forte HT
Em resumo, os termostatos dinâmicos Presto possuem sistema de aquecimento e refrigeração ativo, com compressores. Portanto, trabalham em temperaturas altas e muito baixas (de -91ºC até +250ºC).
Imagem 3 – Termostatos dinâmico Presto
E para o controle temperaturas altas, acima de 250ºC?
Os termostatos dinâmicos Forte HT possuem sistema de aquecimento para altas temperaturas (de +40ºC até 400ºC) e sistemas de refrigeração passivo, que utiliza água para refrigerar o sistema, sendo assim apenas para trabalhos acima da temperatura ambiente.
Imagem 4 – Termostato dinamico Julabo Forte HT
Portanto, em função da maior flexibilidade de atuação e características técnicas, falaremos mais detalhadamente neste posto sobre termostatos dinâmicos Presto para controle de temperatura em reatores químicos.
O que é um termostato dinâmico Presto?
O termostato dinâmico Presto é um sistema de controle de temperatura desenvolvido para reatores químicos e aplicações onde uma rápida resposta de temperatura é exigida. Adiante falaremos de outras aplicações, e em outro post, detalharemos os testes em materiais.
De uma forma resumida, o Presto é um equipamento onde colocamos um fluido térmico (líquido), alteramos a temperatura desejada deste fluido, e circulamos o mesmo por uma aplicação externa, onde iremos dar ou retirar energia.
O termostato dinâmico possui características importantes para uma rápida resposta, mantendo assim controle preciso do reator, como por exemplo:
Trabalham com baixo volume de fluido interno, ou seja, conseguem mudar rapidamente a temperatura do fluido dentro do equipamento
Possuem bomba de circulação do fluido térmico com alta vazão e baixa pressão, permitindo assim uma excelente troca térmica com o reator químico ou outras aplicações externas. A Baixa pressão garante fluxo turbulento do fluido térmico, melhorando assim a troca de energia com a aplicação.
Possuem alta potência de aquecimento e refrigeração. Aliado ao pouco volume de fluido internamente, conforme descrito no item A acima, temos uma relação W/l (watts por litro) muito grande, bem maior do que os banhos termostáticos tradicionais.
Trabalham em sistemas fechados, onde o fluido térmico não tem contato com o ar ambiente. Isso permite trabalhar com uma ampla faixa de trabalho com o mesmo fluido, diferentemente dos banhos termostáticos.
Possuem controlador avançado, com diversas funções para um controle de temperatura de alta performance
Os termostatos dinâmicos da linha Presto foram desenvolvidos para permitir aos clientes total tranquilidade no controle de temperatura de reatores químicos.
Imagem 5 – Termostato Presto com sistema de reacao
O diagrama abaixo exemplifica melhor como é um sistema de controle de temperatura em reatores químicos;
Imagem 6 – Detalhamento do controle de temperatura em reator químico
Mas como escolher o termostato dinâmico ideal para controlar a temperatura do meu reator químico?
Fazer a escolha do sistema de Controle de temperatura para reatores químicos não é uma tarefa simples, mesmo que sua aplicação não tenha requerimentos técnicos elevados.
Precisamos, portanto, considerar algumas variáveis, como por exemplo:
Qual é o tamanho do reator químico, ou seja, quantos litros de amostra haverá no meio reacional?
Quais são os solventes do meio reacional? Precisamos entender o calor específico do fluido, ou seja, quanto de energia precisaremos fornecer ou retirar para alterar a temperatura do meio reacional.
Qual é a temperatura mínima e máxima de trabalho?
Qual é a necessidade de tempo para uma mudança de temperatura?
Por exemplo, precisamos sair da temperatura ambiente e chegar a 200ºC em 2h? Ou precisamos reduzir a temperatura de 80ºC para -50ºC com uma taxa de 2ºC por minuto?
Qual será a expansão ou contração volumétrica do fluido térmico? Este tema será mais detalhado adiante.
Logo, não podemos tomar decisões apenas baseadas no preço do termostato dinâmico Presto, e sim nas características técnicas do processo.
Nossos especialistas irão ajuda-lo na escolha do Presto adequado para seu sistema de reação. Entre em contato conosco.
Alteração volumétrica do óleo de silicone
De uma forma geral, podemos afirmar que o fluido térmico, na maioria das vezes um óleo de silicone devido a sua ampla faixa de trabalho, altera seu volume em aproximadamente 12% a cada 100ºC.
Portanto, em uma aplicação onde tenhamos 30 litros de fluido térmico, alterar a temperatura de 25ºC (temperatura ambiente) para 125ºC, significa um aumento de aproximadamente 3,6 L de volume de fluido, sendo, portanto, o volume final de 33,6 L.
Da mesma forma que reduzir para -75ºC faz com que o volume de fluido no sistema seja reduzido em 3,6L, tendo o sistema um volume final de 26,4 L.
Portanto o objetivando manter a mesma performance (watts de potência disponíveis por litro de óleo de silicone) em um sistema sempre com um mesmo volume de fluido, há a necessidade de um tanque de expansão, que alimenta ou remove fluido térmico do sistema de controle de temperatura, de forma automática.
Em alguns casos, para processos com grande volume de expansão, se faz necessária a adição de um tanque de expansão adicional, para comportar esta alteração de volumes.
Sistema de controle de temperatura fechado
Comentamos anteriormente que o Presto é um termostato dinâmico que trabalha em sistema fechado, ou seja, onde fluido térmico não possui contato com o ar ambiente.
Esta forma de trabalhar traz grandes vantagens técnicas, sendo a principal a possibilidade de trabalharmos com ampla faixa de temperatura com o mesmo óleo de silicone.
Isso ocorre devido a possibilidade de trabalho do fluido térmico acima do seu ponto de fulgor. Como não há possibilidade de combustão espontânea, isso permite com que o óleo de silicone trabalhe em uma faixa muito maior, mais ampla, do que um banho termostático.
Para os sistemas altamente dinâmicos Presto, o fluido mais utilizado é o Thermal HL 60, onde podemos trabalhar de -60 até +250ºC.
Saiba mais sobre fluidos térmicos neste post exclusivo.
Como funciona um termostato dinâmico Presto?
Havíamos comentado anteriormente sobre o que era um Termostato dinâmico Presto, mas agora iremos detalhar seus principais componentes e funcionamento.
Podemos dividir o equipamento em 6 subsistemas, sendo eles:
Sistema de controle e eletrônica
Sitema de aquecimento (2)
Sistema de bombeamento (4)
Imagem 7 – Ilustração do Termostato Dinâmico Presto
Para cada um destes subsistemas, falaremos mais detalhadamente a seguir.
Iniciaremos pelo sistema de controle, que é o "cérebro" do controle de temperatura. É ele quem controla todas as funções necessárias para que o cliente tenha segurança no processo, no laboratório e dos usuários.
O controlador do Presto possui tela Touch screen industrial de 5,7"colorida, que pode ser operada com luvas !
Internamente, possui diversas funções para facilitar o trabalho dos usuários, como por exemplo:
Diversas opções de visualização no display (numérica, gráfica, etc)
3 níveis de usuários com acesso por senha
Possibilidade de programação de rampas de tempo x temperatura, inclusive com a definição de taxas de aquecimento necessárias (ºC/min)
Alarmes de processo, para melhor controle
Caixa preta (Black Box): Todos os parâmetros de processo e do equipamento são salvos em uma memória interna, igual em um avião, podendo assim serem facilmente acessadas, facilitando suporte remoto ao cliente.
Diversas interfaces de comunicação inclusas, como Ethernet, RS 232 e USB, dentre outras.
Controle remoto via computador, visualizando exatamente a tela do Presto
Sobre a eletrônica, os Termostatos Presto possuem outra inovação, única no mercado mundial: ele não trabalha com as tradicionais placas eletrônicas.
Objetivando uma manutenção fácil e rápida, exigido principalmente em processos industriais, a eletrônica dos termostatos Presto são baseadas em módulos DIN Rail, localizados na parte traseira superior do equipamento.
Imagem 8 – Imagem ilustrativa de um módulo eletrônico DIN Rail
Portanto, em caso de problema, basta soltar alguns fios, substituir o módulo, e reconectar os fios. Simples, rápido e com baixo downtime, o que é uma condição fantástica para processo industriais.
Outra vantagem deste sistema é a possibilidade de intercambiar peças reservas de Termostatos Presto de modelos diferentes, reduzindo a quantidade de spare parts necessárias quando um cliente possui diversos Prestos, de modelos diferentes.
O sistema de aquecimento do Presto é um módulo que, como o próprio nome diz, permite aquecermos o fluido térmico.
Esta potência de aquecimento varia de um modelo para outro, partindo de 2,7 kw e chegando até 36 Kw de potência, fazendo com que temperaturas máximas de 250ºC sejam atingidas em todos os modelos.
O sistema de refrigeração é o sistema que irá remover energia do processo quando necessário. A "geração de frio" é realizada através de um sistema de refrigeração onde 1 ou 2 compressores comprimem um gás que posteriormente, quando se expande, rouba energia térmica do sistema, resfriando assim o óleo de silicone.
Os prestos possuem potência de refrigeração de 0,5 kW até 31 KW, podendo chegar a temperaturas internas de -91ºC !
O sistema de bombeamento é a "cereja do bolo": os termostatos Presto possuem bomba de circulação com acoplamento magnético e controle de pressão de bombeamento do fluido térmico (exceto modelo Presto A30).
A bomba com acoplamento magnético garante uma operação silenciosa e livre de manutenção, pois o sistema de bombeamento é selado, e , portanto, sem vazamentos.
Sua manutenção também é muito fácil: Em caso de queima do motor por exemplo, basta soltar 4 parafusos e realizar a troca do mesmo, sem necessidade de drenar o sistema de fluido térmico, sem realizar a soldagem do mesmo e sem envio do equipamento para assistência técnica, o que seria um processo complexo e exigiria maior investimento.
O controle da vazão pode ser ajustado de duas formas: pelo estágio da bomba (velocidade do motor) ou por pressão, sendo o Presto o único equipamento de laboratório ou industrial de controle de tempreautra no mercado com esta função inclusa de fábrica (exceto modelo A30).
O controle te pressão é crucial para reatores químicos encamisados em vidro: Ao invés de ajustarmos a velocidade da bomba de circulação, pode-se ajustar a pressão do fluido térmico para a especificação definida pelo fabricante do reator evitando assim a quebra do vaso de reação por excesso de pressão.
Temos equipamentos com bombas de circulação com até 5,5 bar de pressão e vazões máximas de 70 Litros por minuto, que podem portanto atender sistemas industriais.
A Julabo leva a sério a segurança, tando do equipamento quando do laboratório e do usuário do Presto.
Portanto, é a única no mundo a pensar realmente em fabricar um sistema totalmente seguro.
Falamos anteriormente do tanque de expansão, que absorve a alteração volumétrica do fluido térmico.
Pois bem, no Presto, o tanque de expansão é em aço inox e totalmente isolado termicamente, ficando protegido dentro da "carcaça" do equipamento. Portanto não utilizamos vidro ou outro material que possa quebrar ou permitir com que o usuário se queime quando trabalhamos em altas temperaturas.
Além disso, a temperatura do tanque de expansão é controlada, ou seja, temos um ramal de refrigeração ativo e um sensor de temperatura, mantendo a mesma sempre a 25ºC, afinal, como dito anteriormente, trabalhamos com o fluido térmico em temperaturas acima do ponto de fulgor.
Mas os concorrentes …..
Existe no mercado uma tecnologia "controle" de temperatura passivo do tanque de expansão, que utiliza gás com baixo ponto de ebulição, que se evapora para absorver a temperatura elevada do fluido. Colocamos a palavra "controle" entre aspas, pois não consideramos esta tecnologia realmente um controle, e nem 100% segura, pois em caso de vazamento deste gás, teremos temperaturas perigosas para o óleo de silicone. Além disso, a temperatura elevada em um vaso de vidro do tanque de expansão, sem isolamento térmico, impacta consideravelmente na vida útil da eletrônica presente nas proximidades.
O terceiro ponto de segurança do tanque de expansão do Presto é a presença de um termostato de segurança, que é ajustado conforme o tipo de óleo de silicone utilizado, ou seja, caso a temperatura do fluido térmico atinja valores inadequados, próximo ao limite máximo, o equipamento será completamente desligado.
Estas características únicas fazem do Presto o termostato dinâmico mais seguro a nível mundial !
Mangueiras de circulação externa
Já falamos do Presto, do fluido térmico utilizado e não podemos deixar de falar das mangueiras de circulação.
As mangueiras devem ter características que auxiliem na performance do processo e na segurança do usuário.
Sobre a performance do processo, é muito importante que as mangueiras de circulação minimizem ao máximo a perda de energia térmica entre o Presto e o reator químico, portanto é muito importante que tenham um excelente isolamento térmico.
Além disso, elas precisam de outras características, como por exemplo:
ter flexibilidade que permita a perfeita adequação à instalação
ser de um material resistente ao fluido térmico
serem seguras para evitar que o usuário se queime quando trabalhos em temperaturas elevadas sejam necessários
Portanto, para atender a estas demandas técnicas, a Julabo utiliza mangueiras metálicas, triplamente isoladas, com capacidade de trabalho em temperaturas de -100 a +350ºC.
As mangueiras são conectadas ao reator através de roscas, de tamanhos diferentes, conforme a vazão máxima do termostato Presto que será utilizado.
A linha de termostato dinâmico Presto possui muitos acessórios, sendo os principais deles descritos abaixo:
Sensor de temperatura: colocado dentro do reator, permite o controle de temperatura externo/remoto, dentro do meio reacional. Confeccionado em aço inox, com ou sem revestimento em teflon, possuem comprimento adequado ao tamanho do reator
Booster Pump: Sistema de amplificação de pressão para aplicações onde a perda de carga no bombeamento do óleo de silicone é elevada. Com bomba de acoplamento magnético, acrescenta adicionais 2,1 bar de pressão.
Adaptadores: Diversos redutores e adaptadores para a perfeita conexão com o reator químico, garantindo assim uma instalação adequada
Módulo eletrônico e interface Profibus: Saídas analógicas para automação do processo em outras aplicações
Tanque de expansão extra, permitindo trabalhar com sistemas de maior volume de óleo de silicone.
Termostato refrigerado a ar ou a água?
A linha de termostato dinâmico Presto é desenvolvida pensando em atender às mais variadas necessidades dos clientes.
Portanto, a Julabo desenvolveu alguns modelos de Termostato Presto refrigerados a água.
Os sistemas de refrigeração transformam energia elétrica em energia térmica através de compressores. Estes compressores, se aquecem para realizar este trabalho e, portanto, precisam ser refrigerados, como o ar condicionado de uma residência.
Logo, esta refrigeração pode ser realizada com ar ou com água.
Podemos considerar que por padrão, os sistemas de controle de temperatura são tradicionalmente refrigerados a ar. Isso quer dizer que o sistema de refrigeração utiliza uma ventoinha para ser refrigerado, dissipando no ambiente a carga térmica gerada pelo termostato dinâmico.
Para facilitar a manutenção por parte do cliente, a grade frontal pode ser removida para realização da limpeza do sistema de refrigeração.
Além disso a refrigeração com fluxo frontal x traseira permite a colocação de diversos Prestos um ao lado do outro, garantindo assim a menor área em bancada do mercado (menor área útil de trabalho, considerando o espaço para refrigeração).
Portanto, é um sistema que pode ser instalado em virtualmente qualquer local, pois não exige instalação hidráulica, e que também permite a movimentação do Presto para locais diferentes.
Entretanto, existem casos que esta tecnologia precisa ser evitada.
Quando não podemos liberar no ambiente a carga térmica gerada pelo equipamento, que aumenta levemente a temperatura ambiente.
Quando precisamos de um equipamento mais silencioso
Portanto, alguns modelos de Presto estão disponíveis na versão "refrigerado a água", ou seja, o calor gerado pelo equipamento é transferido para um fluxo de água, que circula pelo termostato.
Estes modelos se diferem pela letra "W" (Water) ao invés da letra "A" (Air). Portanto temos o modelo A40, refrigerado a ar, e o W40, refrigerado a água.
Imagem 9 – Presto refrigerado a ar e Presto refrigerado a água
Visualmente observamos que o equipamento refrigerado a ar possui grade frontal com aletas, enquanto o modelo refrigerado a água a grade frontal é lisa, totalmente fechada.
Alguns modelos de termostato dinâmico Presto só existem em versões refrigeradas a água, devido a grande quantidade de energia liberada pelos mesmos.
Pensando na durabilidade do sistema, na baixa manutenção e no menor consumo de água possível, a Julabo decidiu utilizar sistema de trocador de água casco x tubo.
Esta tecnologia praticamente elimina a possibilidade de entupimento do sistema de refrigeração, aumenta consideravelmente a vida útil e permite com que o cliente tenha necessidade de água com baixa pressão e vazão.
Outras aplicações para o termostato dinâmico Presto além dos reatores químicos
Os termostatos Presto da Julabo foram desenvolvidos inicialmente para o controle de temperatura em reatores químicos.
Entretanto, devido às suas características únicas e excelente performance, novas aplicações foram surgindo ao longo do tempo.
As principais estão relacionadas a testes de materiais, que muitas vezes precisam de câmaras climáticas para serem testados.
O presto as substitui com maestria e grandes vantagens técnicas, como por exemplo:
Ocupam espaços muito menores
Possuem grande faixa de temperatura de trabalho
Exigem menor investimento
Possuem performance muito superior, atingindo temperaturas muito baixas ou muito altas em poucos minutos
Para falar um pouco mais destas aplicações, escrevemos um post específico em nosso blog.
Características importantes que um termostato dinâmico precisa ter
Listamos abaixo as principais características que um termostato dinâmico de alta performance precisa ter para um excelente e seguro controle de temperatura:
Display industrial que permite operação do controlador com luvas
Construção pensada para baixa manutenção e, quando necessária, de fácil realização.
Eletrônica na parte superior, evitando queda de líquidos, e com módulos DIN rail, de fácil troca.
Sistemas de segurança robustos, tanto para o processo quanto para o usuário e laboratório
Bomba de circulação de acoplamento magnético, isenta de manutenção
Sensor de pressão do fluido térmico, com indicação no display
Operação remota com visualização da mesma tela do equipamento
Menor área de trabalho necessária
Sistema de caixa preta "black box" para salvamento de dados e suporte remoto
Alça frontal e rodízios traseiros para facilitar movimentação nos modelos de laboratório.
Vantagens da Julabo, marca representada pela Biovera no Brasil.
Atendimento às normas de segurança e ambiental na fabricação de equipamentos laboratoriais
Lembrando que você pode adquirir seu equipamento por Importação Direta, contando com a experiência da Biovera na preparação da documentação em acordo com as normas da Aduana Brasileira.
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