UNI VERSI DADEFEDERALDESÃO JOÃO DELREI Engenhar i aQu Quí mi ca Labor at ór i odeEngenhar i aQuí mi caI I I
Reat orTubul areReat ordeMi Mi st ur a Andr éi a G.Ol i vei r a1,Cr i st i ane M.Si l va2,Débor a F.Bat i st a3,Eugêni a Abr eu4,Jane S.F. Magal hães5,Jul i aneG.Lacerda6*. (6) Graduanda em Engenharia Química; Universidade Federal de São João Del-ei ! "am#us $l%o &arao#e'a od* +G ,, .m / 0uro 1ranco +G 6,23-333 45gl5uh7ho%mailcom Resumo RESUMO – O processo que utiliza reatores químicos tem por objetivo realizar reações químicas e obter a melhor conversão entre as reações !esse e"perimento# utilizou$se violeta cristal e hi%r&"i%o %e s&%io como subst'ncias para a reação em um reator tubular ()*R+ e em um reator %e mistura (,S-R+ Os rea.entes /oram armazena%os armazena%os em tanques para serem bombea%os aos reatores# e então obter a conversão e"perimental 0s concentrações %e violeta cristal /oram %etermina%as pela leitura %e absorb'ncia no espectro/ot1metro# inicialmente e ap&s rea.ir 0s vazões %os rea.entes permaneceram constantes# nos %ois reatores %e mesmo volume# 2#34 5 O objetivo %esse e"perimento 6 %eterminar a conversão e"perimental# em uma reação %e pseu%o$primeira or%em# e calcular os %esvios entre os resulta%os e"perimentais e os c7lculos te&ricos Os valores encontra%os para as conversões e"perimentais /oram %e 8 para o )*R e 9 para o ,S-R# po%en%o observar que a conversão %o )*R /oi maior que o ,S-R como previsto na literatura &alavras-chave* ea%ores ea%ores 8uímicos 8uímicos ea%or ea%or %u'ular %u'ular ea%or ea%or de mis%ura mis%ura "onversão e9#erimen%al e9#erimen%al
Introdução O reator quí quí mico mico é um equipamento onde ocorre uma reaçã reação o quí quí mica, mica, com principal objetivo de converter, em condiçõ condições es cont contro rola lada das, s, reag reagen ente tess em prod produt utos os.. Os reatores quí quí micos micos ideais podem ser de mistura perfeita, onde onde se admi admite te que que n ão há variaçõ variações es espaci espaciais ais das variá variáveis veis de esta estado do (com (compo posi siçõ ções es e temp temper erat atur ura) a),, e escoament escoamento o pistã pistão, onde onde se cons consid ider eram am as vari variaa ções ções espaciais espaciais das variá variáveis veis de estado estado na dire dire ção ção axia axiall do sistema, mas nã n ão na direçã direção o radial. Este último, ltimo, PFR, é utiliz utilizado ado com mais mais frequ frequêência ncia para para rea rea ções ções em fase fase gasosa. Sendo, os reagentes consumidos à medida que eles escoam ao longo do reator, de forma continua sem agitaçã agitação. o. Podend Podendo o associ associar ar vários rios tubos tubos em parale paralelo, lo, objeti objetivan vando do contro controlar lar a temper temperatu atura. ra. J á o reat reator or de mistur misturaa tamb tamb ém conh conhec ecid ido o como como CSTR CSTR,, poss possue uem m conteú conteúdo bem agitado e uniforme em todo o reator, sem acumulo de reagentes ou produtos. Para que o reator seja bem mistu misturad rado o é usado usado um agitad agitador or que promov promovee a
mistura mistura dentro dentro do reator, reator, utilizado utilizado especial especialmente mente em reaçõ reações es na fase lí l í quida quida [1]. 0s vanta.ens %os reatores ,S-R 6 que eles são %e simples simples construção# construção# bai"o bai"o custo operacional operacional e %e /7cil /7cil limpeza )or6m a conversão %e rea.ente por uni%a%e %e volume 6 a menor %entre os reatores com escoamento
contínuo Reatores )*R possuem alta ta"a %e conversão e bai"o custo operacional Suas %esvanta.ens são o %i/ícil controle %e temperatura e o custo %e manutenção :2; O reator %eve ser utiliza%o para ma"imizar a .eração %e pro%utos %eseja%os# pro%uzir o maior ren%imento com o menor custo# .erar interme%i7rios químicos para novos processos e .erar lucro# lucro# por6m tu%o isso isso %entro %e normas normas pr6$estabeleci%as pr6$estabeleci%as %e se.urança e %e respeito ao meio$ ambiente :<; Sabe$s Sabe$see que as conver conversõe sõess %os reator reatores es po%em po%em ser %etermina%as atrav6s %e conceitos te&ricos e matem7ticos usan%o as concentrações %o rea.ente limitante no início e /im %o processo Entretanto# a concentração tamb6m po%e ser ser obti bti%a atrav trav6s 6s %a an7l an7lis isee qua quanti ntitativ ativaa em espe espect ctro ro/o /oto tome metr tria ia ,om ,om a espe espect ctro ro/o /oto tome metr tria ia a absorb absorb'nc 'ncia ia %as amost amostras ras 6 %eterm %etermina ina%a# %a# e com uma curva %e calibração a concentração 6 obti%a :4;
!este trabalho apresentaremos a reação %o violeta cristal# que possui coloração ro"a# com o hi%r&"i%o %e s&%io# que 6 incolor ,omo o pro%uto %esta reação 6 incolor# po%emos analisar a conversão %a reação pela concentração obti%a no /inal com leitura %as absorb'ncias pelo espectro/ot1metro )ara %eterminação %a conversão e"perimental# utilizaremos c7lculos embasa%os na absorb'ncia# como na equação abai"o=
X =
On%e=
( C −C molsreagidos dolimitante = C,E mols alimentados do limitante C C , E C C , E
6 a concentração %o corante na
entra%a %o reator e C C , S 6 a concentração na saí%a %o reator (obti%a utilizan%o os %a%os %e absorb'ncia %o espectro/ot1metro+ )ara a conversão te&rica 6 utiliza%a as equações %e cin6tica %e reações e a equação %e 0rrenius# consi%eran%o$se que h7 um e"cesso %e hi%r&"i%o %e s&%io no meio# %e mo%o que a lei %e veloci%a%e seja %e pseu%o primeira or%em Experimental Procedimento Experimental )ara realização %o e"perimento /oi utiliza%o um aparato composto por um reator )*R e um ,S-R %e mesmo volume# estan%o ambos eles conecta%os ao espectro/ot1metro >nicialmente calibrou$se o espectro/ot1metro para /uturas me%ições com o branco# que pela /alta %e 7.ua %estila%a /oi /eita utilizan%o 7.ua %a torneira 0p&s esse proce%imento as v7lvulas que controlam a saí%a %as soluções %e hi%r&"i%o %e s&%io e violeta cristal %os tanques %e armazenamento# /oram abertas e controla%as para manter as vazões %e ?#4 5min$3 para ambas O primeiro reator alimenta%o /oi o )*R# portanto as v7lvulas %e alimentação %o ,S-R /oram manti%as /echa%as 0p&s o volume %o )*R ter si%o completa%o a v7lvula que alimenta o espectro/ot1metro /oi aberta# manten%o a vazão controla%a %e ?#3 5min$3 Em se.ui%a esperou$se o %obro %o tempo espacial calcula%o %e @#<@ min# e assim /oram li%as as absorb'ncias no espectro/ot1metro O mesmo e"perimento /oi realiza%o para o reator ,S-R com as mesmas vazões Aale ressaltar que o controle %as vazões /oi /eito com o au"ílio %e rot'metros
Resultados e Discussão ":lculo da conversão %erica do
−r vc= k . C α vc .C β NaOH
Equação 3
?a'ora%rio de Engenharia Química ! 2@ semes%reA23B6
On%e= − r vc = 6 a veloci%a%e %a reaçãoC = 6 a constante especí/ica %e veloci%a%e %a reaçãoC = 6 a concentração %e violeta cristalC = 6 a concentração %e !aOB ,onsi%eran%o e i.uais a 3# pela estequiometria %a reação# tDm$se que a reação possui uma or%em .lobal %e reação i.ual a 2 ,omo concentração %e !aOB utiliza%a /oi muito maior que a concentração %e violeta cristal# o consumo %e !aOB %urante a reação 6 muito pequeno 0ssim# po%e$se consi%erar a concentração %e !aOB constante %urante to%a a reação ,om essa consi%eração a reação po%e ser %enomina%a pseu%o$primeira or%em ,om isso# utiliza$ se a e"pressão abai"o para o c7lculo %a constante especí/ica %e veloci%a%e %a reação= :3; '
k = k .C NaOH
Equação 2
(− E/ RT )
k =k o e
Equação <
On%e= = 6 a constante especí/ica %e veloci%a%e %a reaçãoC = 6 a nova constante especí/ica %e veloci%a%e %a reaçãoC = 6 a ener.ia %e ativação para a reaçãoC = 6 a temperatura em que a reação acontece ,onsi%eran%o o /ator pr6$e"ponencial k o F 32 $ $3 3#GHG"3? 5mol 3min a relação entre a ener.ia %e ativação e a constante universal %os .ases Ea / RT =¿ HI?2#I J e a temperatura %e reação i.ual a 2?K, (2L<#3@ J+ obtemos o valor %e > que 6 i.ual a 3?#24G 5mol$3min$3 O valor %e %a Equação 2 representa a concentração %e !aOB ap&s a %iluição com a solução %e violeta cristal# que 6 a mesma que alimenta os reatores Essa concentração po%e ser obti%a a partir Equação 4=
C Naoh ,diluda =
C NaOH , t v NaOH
( v NaOH + v vc )
Equação 4
C NaOH ,t 6 a concentração %e !aOB no tanque# e 6 i.ual a 3?2#??? mmol 5$3C v NaOH e v vc são as vazões %e !aOB e violeta cristal que On%e=
alimenta os reatores !o e"perimento utilizou$se uma vazão %e ?#4?? 5min$3 %e !aOB e ?#4?? 5min $3 %e violeta cristal 5o.o po%emos %eterminar que a concentração %e !aOB %iluí%o# que 6 i.ual a ?#?@3 mol 5$3 O valor %e N 6 %a%o pela Equação 2# substituin%o os valores %e concentração e # tDm$se que NF ?#@2< min$3 Substituin%o N na equação %a veloci%a%e %e reação# temos que = :3;
−r !C =k ' .C vc
Equação @ 2
)ara o %imensionamento %e um ,S-R temos que %eterminar o volume %o reator# lo.o= :3;
" diluda . X
! CSTR =
−r vc
X vc
Equação I
O /lu"o molar 6 %a%o por= :3;
On%e=
" !C, diluda
Equação H
violeta cristal %iluí%aC " !C, diluda 6 a concentração %a solução %e violeta cristal que alimenta os reatores e vo 6 a vazão total %os rea.entes para os reatores Substituin%o as Equações @ e H na Equação I# temos que=:3;
! CSTR =
'
k .C !C
C !C .diluda( 1 − X !C ) 1 + # C! . X C!
!C. diluda ( 1− X !C )
,omo e ′ não variam ao lon.o %o comprimento %o reator# a Equação 3< po%e ser reescrita %a se.uinte /orma=
! %"R =
vo
X vc
>nte.ran%o a Equação 34 e rearranjan%o# obtDm$se a %e/inição %e tempo espacial para o reator )*R= :2;
! %"R vo
=$ =
−ln ( 1− X !C ) k '
e
−k ' . $
'
Equação 33
)ara o reator )*R# as simpli/icações %o balanço molar para o violeta cristal ori.inam a se.uinte equação %e projeto= :3;
∫
! %"R =
0
" !C ,diluda . d X c
−r !C
Equação 3I Equaçaõ 3H
,alculou$se o tempo espacial para %eterminar as conversões %os reatores ,S-R e )*R# e os %a%os estão %ispostos na -abela 3= Tabela 1-empo espacial para %i/erentes vazões e para os reatores ,S-R e )*R
TEMPO ESPACIAL DOS REATOR
CSTR (min)
Equação 3?
On%e= τ 6 o tempo espacial# que 6 %a%o pela razão entre o volume %o reator e a vazão %e solução que 6 alimenta%o no reator
X vc
Equação 3@
Equação L
'
1 + k . $
=1 − X !C
X !C =1 − e
Substituin%o a Equação 3? na Equação G# e rearranjan%o# obtemos a Equação 33=
X !C =
Equação 34
!C )
Vazão (L.min-1)
k . $
d X c
∫ k ' ( 1− X 0
Equação G
,omo a reação ocorre /ase líqui%a# po%e$se consi%erar que não h7 variação %e %ensi%a%e# e# portanto não h7 e"pansão ou compressão# assim o # C! 6 i.ual zero Pessa /orma# a Equação L# po%e ser %escrita %a se.uinte /orma= :3;
C !C = C !C .diluda ( 1− X !C )
Equação 3<
− k ' . $
)ela estequiometria %a reação sabe$se que a ,vc 6 %etermina%o por= :3;
C !C =
'
6 o /lu"o molar %a solução %e
C !C, diluda. v o . X !C
C !C. diluda v o . d X c
∫ k . C
! %"R =
0
On%e= ! CSTR 6 o volume %o reator ,S-R# em 5C 6 a conversão %o violeta cristal na reação
" !C, diluda=C !C .diluda v o
Substituin%o as Equações @# H e 3? na Equação 32# temos que=
Equação
0,4 + 0,4
@#<@?
O tempo espacial para os %ois reatores são i.uais# isso acontece porque o tempo espacial# %epen%e somente %o volume %o reator e %as vazões %e alimentação Sabe$se que os reatores )*R e ,S-R# apresentam o mesmo volume e i.uais a 2#34 5 0ssim# saben%o o valor %o tempo espacial# po%emos calcular as conversões nos reatores %e acor%o com as Equações %e%uzi%as acima# para os %ois reatores ,om esses valores /oi plota%a a -abela 2 Tabela 2. ,onversão nos reatores ,S-R e )*R para %i/erentes vazões
Vazão (L.min-1)
Conve!ão ea"o CSTR
32 ?a'ora%rio de Engenharia Química ! 2@ semes%reA23B6
<
Conclusões
0,4 + 0,4
?#H
Inserir aqui conclusões.
Referências ":lculo da conversão e9#erimen%al do viole%a cris%al #ara um "S= e um &F(#ar%e 5u)
3 B S *o.ler Elemen%os de Engenharia das eaCes Químicas 5-,# Rio %e Qaneiro# 2??L
":lculo do desvio en%re as conversCes %erica e e9#erimen%al Obti%as as conversões e"perimentais e te&ricas# 6 possível calcular o %esvio entre esses valores# atrav6s %a Equação 23=
&=
| X !C , e(erimental− X vc, te)rico| X vc ,te)rico
.100 Equação 23
On%e= D= 6 o %esvio em porcenta.em
2
* M *7bre.a $#os%ila ":lculo de ea%ores Pisponível em= http=%."I4hepG2pjGclou%/rontnet)0-Uploa% 3 L@GLI0postilaT2?,T,p%/ 0cesso em 2? %e novembro %e 2?3@
<
O 5evenspiel Engenharia das reaCes 8uímicas# Vlucher# 2??? 0 P Soo.C M P WestC Q * BollerC R S ,rouch# Fundamen%os de Química $nalí%ica# -homson# São )aulo# 2??H
4
Os resulta%os obti%os atrav6s %a Equação 23 estão %ispostos na -abela I Tabela #. Pesvios entre o valor te&rico e e"perimental para os reatores ,S-R e )*R# com suas respectivas vazões
Vazão (L.min-1)
0,4 + 0, 4
De!vio CSTR
)reencher
Observa$se que houve %esvios si.ni/icativos 0l6m %o que j7 /oi menciona%o anteriormente# outra /onte %e %esvios 6 o controle manual %as vazões %e saí%a %os tanques %e armazenamento )o%e ser que as vazões não se mantiveram as vazões constantes %urante o e"perimento(%epen%e %o valor %e %esvio encontra%o+
?a'ora%rio de Engenharia Química ! 2@ semes%reA23B6
4
