ENGENHARIAS - 2014
CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA - BURITIS
Faculdade de Ciências Exatas e de Tecnologia - FACET Curso Engenharia Química
REATORES DE ESCOAMENTO CONTÍNUO: Reator de Mistura Perfeita (CSTR)
Professor: Leonardo Alves da Costa
Alunos: Isabela Figueiredo de Oliveira – RA 11120798 Janaína Natache Cotes – RA 11120818 Karine Ribeiro Tostes – RA 11120806 Mariana Martins Cotta – RA 4403232 Raquel Ianine Lima de Souza – RA 11221194 Thiago Lima Barbosa –RA 11120817
Belo Horizonte 2014
2
2
1. INTRODUÇÃO
Reator químico, de forma genérica, é um recipiente onde ocorrem reações químicas, transferências de massa e calor. Existem vários tipos de reatores químicos e várias maneiras de classificá-los. Quanto ao formato onde se dão as reações, existem dois tipos básicos:
Reatores em tanques
Reatores em tubos
Ambos os tipos podem ser usado como reatores contínuos ou de bateladas. Dentro da classe de reatores com escoamento contínuo, ou seja, com operação quase sempre em regime estacionário, podemos citar o Reator Tubular ou de Gradiente de Concentração, PFR, e o reator Contínuo de Tanque Agitado, o CSTR (SANTOS, 2002).
1.1.
Reator de mistura perfeita (CSTR)
O reator contínuo de tanque agitado ou reator de retromistura é comumente usado em processamento industrial, principalmente para reações em fase líquida. Normalmente, é operado em estado estacionário e é considerado estar perfeitamente misturado, consequentemente, a temperatura, a concentração ou a velocidade de reação, dentro do CSTR não dependem do tempo ou da posição. Portanto, cada variável na saída ou no interior do reator é a mesma (FLOGER, 2009). Em sistemas em que a mistura é altamente não ideal, o modelo bem misturado é inadequado, e tem-se de recorrer a outras técnicas de modelagem, tais como distribuições de tempo de residência, para obter resultados significativos (FLOGER, 2009).
3
O balanço molar para CSTR fornece:
Onde V é o volume do reator, é a vazão molar do reagente A na alimentação, X é a conversão do reagente A e é a velocidade da reação após a conversão X (ALVES, 2014). A vazão molar de A na alimentação pode ser determinada pelo produto da vazão volumétrica na alimentação, , pela concentração inicial (ALVES, 2014).
1.2.
Reação de Pseudo-Primeira Ordem
Existem muitas circunstâncias nas quais a concentração de um dos reagentes permanece constante durante a reação. Por exemplo, se um dos reagentes estiver inicialmente numa concentração muito maior do que a de outro, a reação não causará uma modificação significativa na concentração do primeiro (BARROS, 2010). A lei de velocidade para esta reação é: v = k [A]a[B]b Se a concentração de A não variar significativamente durante a reação, ou seja, [A] >> [B] ela pode ser considerada uma constante e dessa maneira ela é incorporada na constante da taxa, k. Portanto a lei de velocidade se torna: v = k’ [B]b Onde k’ é constante da taxa de pseudo-primeira ordem. Esta manipulação simplifica enormemente a lei de velocidade do desaparecimento da substância B:
4
d [B] /dt
k '[B] b
A prática em questão, consiste em avaliar a cinética da reação do corante verde de malaquita, com hidróxido de sódio a partir de um reator CSTR, através de uma reação de pseudo – primeira ordem. O verde malaquita, também chamado verde de anilina, é uma substância química tóxica usada como um corante (corante triarilmetano) para tingir materiais como seda, couro e papel (PERUZZO, 2003). Quando o corante verde malaquita, (MG +Cl−), é colocado para reagir com o hidróxido de sódio, que tem característica básica, ele se descolore, de acordo coma equação abaixo:
Com o intuito de formar uma reação de pseudo-primeira ordem, o hidróxido de sódio é colocado em alta concentração. Dessa maneira, deve-se observar que a concentração do hidróxido de sódio ao final da reação, pouco vai variar. Isto é, a lei da velocidade fica em função apenas da concentração de verde malaquita. A reação de pseudo-primeira ordem, para a reação de verde malaquita e hidróxido de sódio é dada como:
5
Onde, –r MG+ é a velocidade de desaparecimento do corante, k é a constante de velocidade da reação, [MG +] é a concentração do verde malaquita e [OH -] é a concentração dos íons hidroxila (ALVES, 2014).
1.3.
Espectrofotometria
Neste estudo, a espectrofotometria de absorção foi utilizada para a determinação quantitativa das concentrações de corante do ponto selecionado no experimento. As medidas são realizadas em células de quartzo. O fundamento da técnica espectrofotométrica é a absorção de radiação eletromagnética na região do visível por parte dos compostos coloridos de interesse. Para este fim, utiliza-se radiação com comprimentos de onda na faixa de 350 a 1000 nm (PERUZZO, 2003). O primeiro passo é a determinação do comprimento de onda, no qual o composto a ser quantificado absorve o máximo de radiação, isto é feito mediante uma varredura ao longo da faixa espectral de interesse. Uma vez determinado o comprimento de onda ideal para a quantificação, a variável absorbância (Abs) relaciona-se com a concentração de corante de forma linear segundo a Lei de Beer, em determinadas faixas de concentração (PERUZZO, 2003)
2. OBJETIVO
Avaliar a cinética da reação de oxirredução entre o corante verde de malaquita
com hidróxido de sódio, em reatores contínuos, pela visualização da descoloração do corante.
6
2.1.
Objetivos Específicos
- Investigar a cinética da reação de oxirredução entre o corante verdemalaquita e hidróxido de sódio, em reatores tipo CSTR, pela visualização da descoloração do corante. - Observar as diferenças entre as características de reatores de mistura perfeita e reatores tubulares.
3. MATERIAIS E REAGENTES
3.1.
Materiais
Agitador mecânico;
Aquecedor;
Béqueres de 100 mL (4 un);
Bombas hidráulicas;
Cronômetro.
Espectrofotômetro;
Mangueiras;
Proveta 1000 mL;
Reator CSTR – reator de vidro;
Reservatórios para os reagentes e produtos;
Rotâmentros – controladores de vazão;
7
3.2.
Reagentes
Solução 2 g/L de hidróxido de sódio ( );
Solução 0,25 g/L de verde malaquita (
).
4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
a) Determinou-se o volume do reator; b) Escolheu-se a temperatura do pré-aquecimento dos reagentes (temperatura ambiente);
c) Ligou-se o sistema mantendo o agitador desligado e usou-se as mesmas vazões do experimento do reator tubular (PFR). Observouse as colorações no interior do reator e fotografou-se;
d) Ligou-se a agitação e obsevou-se a “mistura perfeita” e fotografouse;
e) Ligou-se o aquecimento interno do CSTR, aumentando a temperatura gradativamente. Observou-se o efeito da temperatura na conversão.
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Foi colocado para reagir com o corante verde malaquita, excesso de hidróxido de sódio, com o intuito de a reação ser uma reação de pseudo-primeira ordem . Excesso de OH-
8
Dessa maneira, como o hidróxido de sódio estava numa concentração muito maior do que o verde malaquita, a reação não causou uma modificação significativa na concentração de hidróxido. A lei de velocidade para essa reação de pseudo-primeira ordem foi dada então, apenas em função do corante verde malaquita. -r a = x CVM Para a realização da prática, foram analisadas amostras, retiradas em um ponto fixo, mostrado na figura a seguir:
Figura 1- Ponto de coleta reator CSTR
Para os cálculos decorrentes, foram utilizados os seguintes dados:
MM Verde Malaquita = 364,91 g/mol
MM NaOH = 40 g/mol
Concentração de NaOH: 2 g/L ou 0,05 mol/L
Temperatura (T) = 25 °C ou 298,15 K
K0 = 1,2x109 m3/mol.s = 1,2.106 L/mol.s (fornecido no roteiro da prática)
Volume do reator (V) = 1,616L (calculado experimentalmente)
Energia de ativação para descoloração do verde malaquita (E) = 50000 J/mol (fornecido no roteiro da prática)
Constante universal dos gases (R) = 8,31451 J/(mol.K)
9
A constante de velocidade teórica (k teórico) foi determinada pela Lei de Arrhenius: K = K0 x 6
K = 1,2x10 L/mol.s x
K = 2,087x10 -3L/mol.s
5.1.
Curva de Calibração
Inicialmente, foi medida a absorbância da amostra de verde malaquita, antes de sua entrada no reator, obtendo valor de 2,500 conforme mostrado na tabela 1 a seguir:
C malaquita (mg / L)
Absorbância
0,03
0,053
0,15
0,056
1,50
0,157
15,00
0,954
2,500
Tabela 1: Concentração de Malaquita versus Absorbância
Curva de Calibração (λ = 618 nm) 1.2
y = 0.06x + 0.0547 R² = 0.9996
1
) m n 0.8 ( a i c n 0.6 â b r o 0.4 s b A
0.2 0 0
2
4
6
8
10
12
14
Conc Verde Malaquita (mg/L)
Curva 1: Curva de Calibração conforme dados da Tabela 1
16
10
Equação da reta: y = 0,06x +0,0547
Onde: y representa absorbância de verde malaquita e x sua respectiva concentração.
O valor de R2 obtido foi muito próximo de 1, o que indica que os dados para a construção da curva de calibração tem excelente ajuste linear. Com a equação da reta obtida através da Curva de Calibração foi possível calcular a concentração inicial de verde malaquita: x=
C A0= (2,500-0,0547)/ 0,06 = 40,755 mg/L.
Entretanto, observou-se que o aquecedor não estava funcionando e a homogeneização da solução não estava adequada, sendo necessárias constantes agitações para melhor solubilização. Diante disso, a título de cálculos, não foi considerado o coeficiente linear, uma vez que, para a curva de calibração, seria necessário realizar o método de adição de padrão do qual a análise seria mais precisa. O cálculo da concentração foi repetido, desconsiderando então, o coeficiente linear. Para realizar os cálculos das concentrações no ponto de coleta das três distintas vazões e para preencher as tabelas 2,3 e 4 a seguir, foi realizado o mesmo procedimento. x=
C A0= 2,500/ 0,06 = 41,67 mg/L.
Após as diversas análises da concentração inicial, constatou-se que o valor de 2,5 na absorbância era o final de escala do instrumento, e, com isso, esse dado poderia representar um valor muito maior. Verificando-se o preparo da solução verde malaquita, observou-se que a concentração inicial era de 250 mg/L cujo valor realmente é muito superior aos 41,67mg/L. Utilizou-se, então, o dado de preparo da solução como concentração inicial.
11
5.2.
Cálculo do volume do reator
Dados:
Altura de líquido no CSTR: h =1,7dm
Diâmetro do reator: D =1,1dm
V
5.3.
= 1,616 L
Cálculos decorrentes para situação 1:
Para o cálculo de C A utilizou-se os dados da tabela 2 abaixo: Vazão Corante
Vazão NaOH
(L/min)
(L/min)
0,1
0,5
Absorbância
CA (mg/L)
0,016
0,267
Tabela 2: Medidas de Absorbância e Concentração (C A) para Situação 1.
Para a vazão de corante verde malaquita ( ) igual a 0,1 L/min e NaOH 0,5 L/min, tem-se que:
Cálculo do tempo espacial (τ) =
Onde, é o tempo espacial é o volume total do reator é a vazão volumétrica.
= 1,616 L / 0,6L/min = 2,69̅ min = 161,6 s
12
Cálculo dos valores de constante de velocidade ( )
Sabendo que C A0= 250 mg/L e = 161,6 s: k = 5,788 s-1
Cálculo da conversão (Xa1) Considerando a densidade constante e n=1 irreversível, tem-se:
0,9989
5.4.
Cálculos decorrentes para situação 2:
As vazões de corante e de hidróxido foram alteradas. O valor de absorbância para o ponto de coleta foi medido experimentalmente e seu valor de concentração ( C A) foi novamente calculado. Para o cálculo de C A utilizou-se os dados da tabela 3 abaixo: Vazão Corante
Vazão
(L/min)
NaOH
Absorbância
CA (mg/L)
(L/min) 0,05
0,2
0,037
0,617
Tabela 3: Medidas de Absorbância e Concentração (C A) para Situação 2.
Para a vazão de corante verde malaquita ( ) igual a 0,05 L/min e NaOH 0,2L/min, tem-se que:
13
Cálculo do tempo espacial (τ) =
Onde, é o tempo espacial é o volume total do reator é a vazão volumétrica.
= 1,616 L / 0,25 L/min = 6,464 min = 387,84 s
Cálculo dos valores de constante de velocidade ( )
Sabendo que C A0= 250 mg/L e = 387,84 s: k = 1,042 s-1
Cálculo da conversão (Xa2) Considerando a densidade constante e n=1 irreversível, tem-se:
0,9975
5.5.
Cálculos decorrentes para situação 3:
Novamente as vazões de corante e de hidróxido foram alteradas. O valor de absorbância para o ponto de coleta foi medido experimentalmente, e o valor da concentração (C A) novamente calculado. Para o cálculo de C A utilizou-se os dados da tabela 3 abaixo:
14
Vazão Corante
Vazão
(L/min)
NaOH
Absorbância
CA (mg/L)
(L/min) 0,3
0,3
...
...
Tabela 3: Medidas de Absorbância e Concentração (C A) para Situação 3.
A princípio, ao obter um valor de absorbância nulo, pode-se concluir que as vazões utilizadas são vazões suficientes para que ocorra uma reação completa entre o verde malaquita e o hidróxido de sódio. Entretanto, para as mesmas vazões de verde malaquita e o hidróxido de sódio (ocorrida na situação 3) não é possível calcular a velocidade específica, como nos exemplos anteriores, considerando reação de pseudo-primeira ordem. Para as situações 1 e 2 os valores da velocidade específica destoaram muito não somente entre si, mas também da mesma reação que ocorreu no reator PFR. Os valores de absorbância utilizados, para o CSTR, foram médias aritméticas de diversas medidas realizadas, em ambas as situações, o que pode causar uma considerável margem de erro na análise. Observou-se, após o cálculo do tempo espacial do CSTR, que este não foi respeitado conforme as vazões de entrada, quando, tão logo alteraram-se as vazões, colheram-se as amostras. Entretanto, mesmo para uma maior relação entre as vazões, não foi encontrada uma maior conversão expressiva, como verificado na situação 1 para qual a vazão de hidróxido de sódio foi 5 vezes maior que a vazão de verde malaquita, ao comparar com a situação 2 em que essa relação é de apenas 1,5 vezes. Contudo, como esperado, pela reação ocorrer em CSTR onde há maior homogeneização, para uma vazão menor de verde malaquita, a redução brusca de sua concentração ocorreu conforme a teoria. Como a solução verde malaquita não estava devidamente homogeneizada, pode ser esta a principal fonte de erro dentre as análises da velocidade
15
específica das reações realizadas nos reatores PFR e CSTR, alterando assim a concentração inicial da solução antes de bombeá-la para os reatores. Consideraram-se as falhas nas medições das vazões nos rotâmetros, em função de obstruções, como relevantes. Os demais erros de análise relatados na prática com reator PFR também são aplicados a essa, com CSTR. Diante do exposto acima, a comparação das reações ocorridas nos reatores PFR e CSTR, embora sendo os mesmos reagentes, ficou prejudicada ao observar variações maiores que 100 vezes no calculado da velocidade específica e altas conversões resultantes em ambos os reatores.
6. CONCLUSÃO Durante
a
realização
do
experimento,
foi
possível
observar
o
comportamento de um reator de escoamento contínuo, no caso, reator mistura perfeita (CSTR). É importante salientar que o reator não operou de maneira satisfatória, isto é, a prática foi interrompida algumas vezes devido ao entupimento do mesmo, possivelmente devido à má preparação da solução de verde malaquita. Além disso, não foi possível observar o efeito da temperatura nas conversões, visto que o sistema de aquecimento também não estava funcionando
corretamente.
Consequentemente,
os
valores
lidos
experimentalmente foram comprometidos, comprometendo toda a atividade prática.
7. REFERÊNCIAS
ALVES, Leonardo. Roteiro de Aulas Práticas de Cinética Química e Cálculo de Reatores. Belo Horizonte, 2014.
16
BARROS, Silene Maria Alves. Cinética Química. 2010. Disponível em: Acesso em: 10 out. 2014. FOGLER, H. S.. Elementos de Engenharia das Reações Químicas. 2009. Tradução da 4ª ed. Rio de Janeiro: Editora LTC .892 p.10. LEVENSPIEL, O. & ALMEIDA, C. M.V.B. Engenharia das Reações Químicas. Tradução da 3a ed. São Paulo: Editora Edgard Blucher, 2000. 584p. PERUZZO, Lucile Cecília. Influência de agentes auxiliares na adsorção de corantes de efluentes da indústria têxtil em colunas de leito fixo . 2003. Disponível em: Acesso em: 10 out. 2014. SANTOS, Valdemir Alexandre et al. Extrapolação de dados cinéticos obtidos em reatores químicos homogêneos. 2002. Disponivel em: Acesso em: 10 out. 2014.
