Cinetica - Relatório Reator Mistura Perfeita

8/10/2019 Cinetica - Relatrio Reator Mistura Perfeita

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CENTRO UNIVERSITRIO NEWTON PAIVA - BURITIS

Faculdade de Cincias Exatas e de Tecnologia - FACET

Curso Engenharia Qumica

REATORES DE ESCOAMENTO CONTNUO: Reator de Mistura Perfeita (CSTR)

Professor:

Leonardo Alves da Costa

Alunos:

Isabela Figueiredo de OliveiraRA 11120798Janana Natache CotesRA 11120818

Karine Ribeiro TostesRA 11120806

Mariana Martins CottaRA 4403232

Raquel Ianine Lima de SouzaRA 11221194

Thiago Lima BarbosaRA 11120817

Belo Horizonte

2014

ENGENHARIAS - 2014


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1. INTRODUO

Reator qumico, de forma genrica, um recipiente onde ocorrem reaesqumicas, transferncias de massa e calor. Existem vrios tipos de reatores

qumicos e vrias maneiras de classific-los. Quanto ao formato onde se do

as reaes, existem dois tipos bsicos:

Reatores em tanques

Reatores em tubos

Ambos os tipos podem ser usado como reatores contnuos ou de bateladas.

Dentro da classe de reatores com escoamento contnuo, ou seja, com

operao quase sempre em regime estacionrio, podemos citar o Reator

Tubular ou de Gradiente de Concentrao, PFR, e o reator Contnuo de

Tanque Agitado, o CSTR (SANTOS, 2002).

1.1. Reator de mistura perfeita (CSTR)

O reator contnuo de tanque agitado ou reator de retromistura comumente

usado em processamento industrial, principalmente para reaes em fase

lquida. Normalmente, operado em estado estacionrio e considerado estar

perfeitamente misturado, consequentemente, a temperatura, a concentrao ou

a velocidade de reao, dentro do CSTR no dependem do tempo ou da

posio. Portanto, cada varivel na sada ou no interior do reator a mesma

(FLOGER, 2009).

Em sistemas em que a mistura altamente no ideal, o modelo bem misturado

inadequado, e tem-se de recorrer a outras tcnicas de modelagem, tais como

distribuies de tempo de residncia, para obter resultados significativos

(FLOGER, 2009).


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O balano molar para CSTR fornece:

Onde V o volume do reator, a vazo molar do reagente A na

alimentao, X a converso do reagente A e a velocidade da reao

aps a converso X (ALVES, 2014).

A vazo molar de A na alimentao pode ser determinada pelo produto da

vazo volumtrica na alimentao, , pela concentrao inicial (ALVES,

2014).

1.2. Reao de Pseudo-Primeira Ordem

Existem muitas circunstncias nas quais a concentrao de um dos reagentes

permanece constante durante a reao. Por exemplo, se um dos reagentes

estiver inicialmente numa concentrao muito maior do que a de outro, a

reao no causar uma modificao significativa na concentrao do primeiro

(BARROS, 2010).

A lei de velocidade para esta reao :

v = k[A]a[B]b

Se a concentrao de A no variar significativamente durante a reao, ou

seja, [A] >> [B] ela pode ser considerada uma constante e dessa maneira ela

incorporada na constante da taxa, k. Portanto a lei de velocidade se torna:

v = k[B]b

Onde k constante da taxa de pseudo-primeira ordem. Esta manipulao

simplifica enormemente a lei de velocidade do desaparecimento da substnciaB:


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d[B] /dt k'[B]b

A prtica em questo, consiste em avaliar a cintica da reao do corante

verde de malaquita, com hidrxido de sdio a partir de um reator CSTR,atravs de uma reao de pseudoprimeira ordem.

O verde malaquita, tambm chamado verde de anilina, uma substncia

qumica txica usada como um corante (corante triarilmetano) para tingir

materiais como seda, couro e papel (PERUZZO, 2003).

Quando o corante verde malaquita, (MG

+

Cl

), colocado para reagir com ohidrxido de sdio, que tem caracterstica bsica, ele se descolore, de acordo

coma equao abaixo:

Com o intuito de formar uma reao de pseudo-primeira ordem, o hidrxido de

sdio colocado em alta concentrao. Dessa maneira, deve-se observar que

a concentrao do hidrxido de sdio ao final da reao, pouco vai variar. Isto

, a lei da velocidade fica em funo apenas da concentrao de verde

malaquita.

A reao de pseudo-primeira ordem, para a reao de verde malaquita e

hidrxido de sdio dada como:


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Onde,rMG+ a velocidade de desaparecimento do corante, k a constante de

velocidade da reao, [MG+] a concentrao do verde malaquita e [OH-] a

concentrao dos ons hidroxila (ALVES, 2014).

1.3. Espectrofotometria

Neste estudo, a espectrofotometria de absoro foi utilizada para a

determinao quantitativa das concentraes de corante do ponto selecionado

no experimento. As medidas so realizadas em clulas de quartzo.

O fundamento da tcnica espectrofotomtrica a absoro de radiao

eletromagntica na regio do visvel por parte dos compostos coloridos de

interesse. Para este fim, utiliza-se radiao com comprimentos de onda na

faixa de 350 a 1000 nm (PERUZZO, 2003).

O primeiro passo a determinao do comprimento de onda, no qual o

composto a ser quantificado absorve o mximo de radiao, isto feito

mediante uma varredura ao longo da faixa espectral de interesse. Uma vez

determinado o comprimento de onda ideal para a quantificao, a varivel

absorbncia (Abs) relaciona-se com a concentrao de corante de forma linear

segundo a Lei de Beer, em determinadas faixas de concentrao (PERUZZO,

2003)

2. OBJETIVO

Avaliar a cintica da reao de oxirreduo entre o corante verde de malaquita

com hidrxido de sdio, em reatores contnuos, pela visualizao da

descolorao do corante.


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2.1. Objetivos Especficos

- Investigar a cintica da reao de oxirreduo entre o corante verde-malaquita e hidrxido de sdio, em reatores tipo CSTR, pela

visualizao da descolorao do corante.

- Observar as diferenas entre as caractersticas de reatores de mistura

perfeita e reatores tubulares.

3. MATERIAIS E REAGENTES

3.1. Materiais

Agitador mecnico;

Aquecedor;

Bqueres de 100mL (4 un);

Bombas hidrulicas;

Cronmetro.

Espectrofotmetro;

Mangueiras;

Proveta 1000 mL;

Reator CSTRreator de vidro;

Reservatrios para os reagentes e produtos;

Rotmentroscontroladores de vazo;


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3.2. Reagentes

Soluo 2 g/L de hidrxido de sdio ( ); Soluo 0,25 g/L de verde malaquita (

).

4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

a) Determinou-se o volume do reator;

b) Escolheu-se a temperatura do pr-aquecimento dos reagentes

(temperatura ambiente);

c) Ligou-se o sistema mantendo o agitador desligado e usou-se as

mesmas vazes do experimento do reator tubular (PFR). Observou-

se as coloraes no interior do reator e fotografou-se;

d) Ligou-se a agitao e obsevou-se a mistura perfeita e fotografou-

se;

e) Ligou-se o aquecimento interno do CSTR, aumentando a

temperatura gradativamente. Observou-se o efeito da temperatura

na converso.

5. RESULTADOS E DISCUSSES

Foi colocado para reagir com o corante verde malaquita, excesso de hidrxido

de sdio, com o intuito de a reao ser uma reao de pseudo-primeira ordem.

Excesso de OH-


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Dessa maneira, como o hidrxido de sdio estava numa concentrao muito

maior do que o verde malaquita, a reao no causou uma modificao

significativa na concentrao de hidrxido.

A lei de velocidade para essa reao de pseudo-primeira ordem foi dada ento,

apenas em funo do corante verde malaquita.

-ra= x CVM

Para a realizao da prtica, foram analisadas amostras, retiradas em um

ponto fixo, mostrado na figura a seguir:

Figura 1- Ponto de coleta reator CSTR

Para os clculos decorrentes, foram utilizados os seguintes dados:

MM Verde Malaquita = 364,91 g/mol

MM NaOH = 40 g/mol

Concentrao de NaOH: 2 g/L ou 0,05 mol/L Temperatura (T) = 25 C ou 298,15 K

K0= 1,2x109m3/mol.s = 1,2.106L/mol.s (fornecido no roteiro da prtica)

Volume do reator (V) = 1,616L (calculado experimentalmente)

Energia de ativao para descolorao do verde malaquita (E) = 50000

J/mol (fornecido no roteiro da prtica)

Constante universal dos gases (R) = 8,31451 J/(mol.K)


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A constante de velocidade terica (k terico) foi determinada pela Lei de

Arrhenius:

K = K0 x

K = 1,2x106L/mol.s x

K = 2,087x10-3L/mol.s

5.1. Curva de Calibrao

Inicialmente, foi medida a absorbncia da amostra de verde malaquita, antesde sua entrada no reator, obtendo valor de 2,500 conforme mostrado na tabela

1 a seguir:

C malaquita (mg / L) Absorbncia

0,03 0,053

0,15 0,056

1,50 0,15715,00 0,954

2,500

Tabela 1: Concentrao de Malaquita versusAbsorbncia

Curva 1:Curva de Calibrao conforme dados da Tabela 1

y = 0.06x + 0.0547

R = 0.9996

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Absorbncia(nm)

Conc Verde Malaquita (mg/L)

Curva de Calibrao ( = 618nm)


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Equao da reta:

y = 0,06x +0,0547

Onde:yrepresenta absorbncia de verde malaquita exsua respectiva concentrao.

O valor de R2obtido foi muito prximo de 1, o que indica que os dados para a

construo da curva de calibrao tem excelente ajuste linear.

Com a equao da reta obtida atravs da Curva de Calibrao foi possvel

calcular a concentrao inicial de verde malaquita:

x = CA0= (2,500-0,0547)/ 0,06 = 40,755 mg/L.

Entretanto, observou-se que o aquecedor no estava funcionando e a

homogeneizao da soluo no estava adequada, sendo necessrias

constantes agitaes para melhor solubilizao. Diante disso, a ttulo de

clculos, no foi considerado o coeficiente linear, uma vez que, para a curva de

calibrao, seria necessrio realizar o mtodo de adio de padro do qual a

anlise seria mais precisa. O clculo da concentrao foi repetido,

desconsiderando ento, o coeficiente linear. Para realizar os clculos das

concentraes no ponto de coleta das trs distintas vazes e para preencher

as tabelas 2,3 e 4 a seguir, foi realizado o mesmo procedimento.

x = CA0= 2,500/ 0,06 = 41,67 mg/L.

Aps as diversas anlises da concentrao inicial, constatou-se que o valor de

2,5 na absorbncia era o final de escala do instrumento, e, com isso, esse dado

poderia representar um valor muito maior. Verificando-se o preparo da soluo

verde malaquita, observou-se que a concentrao inicial era de 250 mg/L cujo

valor realmente muito superior aos 41,67mg/L. Utilizou-se, ento, o dado de

preparo da soluo como concentrao inicial.


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5.2. Clculo do volume do reator

Dados:Altura de lquido no CSTR: h =1,7dm

Dimetro do reator: D =1,1dm

V = 1,616 L

5.3. Clculos decorrentes para situao 1:

Para o clculo de CAutilizou-se os dados da tabela 2 abaixo:

Vazo Corante

(L/min)

Vazo NaOH

(L/min)

Absorbncia CA

(mg/L)

0,1 0,5 0,016 0,267

Tabela 2:Medidas de Absorbncia e Concentrao (CA) para Situao 1.

Para a vazo de corante verde malaquita () igual a 0,1 L/min e NaOH 0,5

L/min, tem-se que:

Clculo do tempo espacial ()

=

Onde, o tempo espacial

o volume total do reator

a vazo volumtrica.

=1,616 L / 0,6L/min=2,69 min = 161,6 s


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Clculo dos valores de constante de velocidade ()

Sabendo que CA0= 250 mg/L e = 161,6 s:

k= 5,788 s-1

Clculo da converso (Xa1)

Considerando a densidade constante e n=1 irreversvel,

tem-se:

0,9989

5.4. Clculos decorrentes para situao 2:

As vazes de corante e de hidrxido foram alteradas. O valor de absorbncia

para o ponto de coleta foi medido experimentalmente e seu valor de

concentrao (CA) foi novamente calculado. Para o clculo de CAutilizou-se os

dados da tabela 3 abaixo:

Vazo Corante

(L/min)

Vazo

NaOH

(L/min)

Absorbncia CA

(mg/L)

0,05 0,2 0,037 0,617


Para a vazo de corante verde malaquita () igual a 0,05 L/min e NaOH

0,2L/min, tem-se que:


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Vazo Corante

(L/min)

Vazo

NaOH

(L/min)

Absorbncia CA

(mg/L)

0,3 0,3 ... ...


A princpio, ao obter um valor de absorbncia nulo, pode-se concluir que as

vazes utilizadas so vazes suficientes para que ocorra uma reao completa

entre o verde malaquita e o hidrxido de sdio.

Entretanto, para as mesmas vazes de verde malaquita e o hidrxido de sdio

(ocorrida na situao 3) no possvel calcular a velocidade especfica, como

nos exemplos anteriores, considerando reao de pseudo-primeira ordem.

Para as situaes 1 e 2 os valores da velocidade especfica destoaram muito

no somente entre si, mas tambm da mesma reao que ocorreu no reator

PFR. Os valores de absorbncia utilizados, para o CSTR, foram mdias

aritmticas de diversas medidas realizadas, em ambas as situaes, o que

pode causar uma considervel margem de erro na anlise.

Observou-se, aps o clculo do tempo espacial do CSTR, que este no foi

respeitado conforme as vazes de entrada, quando, to logo alteraram-se as

vazes, colheram-se as amostras.

Entretanto, mesmo para uma maior relao entre as vazes, no foi

encontrada uma maior converso expressiva, como verificado na situao 1para qual a vazo de hidrxido de sdio foi 5 vezes maior que a vazo de

verde malaquita, ao comparar com a situao 2 em que essa relao de

apenas 1,5 vezes. Contudo, como esperado, pela reao ocorrer em CSTR

onde h maior homogeneizao, para uma vazo menor de verde malaquita, a

reduo brusca de sua concentrao ocorreu conforme a teoria.

Como a soluo verde malaquita no estava devidamente homogeneizada,pode ser esta a principal fonte de erro dentre as anlises da velocidade


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especfica das reaes realizadas nos reatores PFR e CSTR, alterando assim

a concentrao inicial da soluo antes de bombe-la para os reatores.

Consideraram-se as falhas nas medies das vazes nos rotmetros, em

funo de obstrues, como relevantes. Os demais erros de anlise relatadosna prtica com reator PFR tambm so aplicados a essa, com CSTR.

Diante do exposto acima, a comparao das reaes ocorridas nos reatores

PFR e CSTR, embora sendo os mesmos reagentes, ficou prejudicada ao

observar variaes maiores que 100 vezes no calculado da velocidade

especfica e altas converses resultantes em ambos os reatores.

6. CONCLUSO

Durante a realizao do experimento, foi possvel observar o

comportamento de um reator de escoamento contnuo, no caso, reator

mistura perfeita (CSTR).

importante salientar que o reator no operou de maneira satisfatria, isto

, a prtica foi interrompida algumas vezes devido ao entupimento do

mesmo, possivelmente devido m preparao da soluo de verde

malaquita. Alm disso, no foi possvel observar o efeito da temperatura

nas converses, visto que o sistema de aquecimento tambm no estava

funcionando corretamente. Consequentemente, os valores lidos

experimentalmente foram comprometidos, comprometendo toda a atividade

prtica.

7. REFERNCIAS

ALVES, Leonardo. Roteiro de Aulas Prticas de Cintica Qumica e Clculo

de Reatores. Belo Horizonte, 2014.


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BARROS, Silene Maria Alves. Cintica Qumica. 2010. Disponvel em: Acesso em: 10 out.2014.

FOGLER, H. S.. Elementos de Engenharia das Reaes Qumicas. 2009.Traduo da 4 ed. Rio de Janeiro: Editora LTC .892 p.10.

LEVENSPIEL, O. & ALMEIDA, C. M.V.B. Engenharia das Reaes Qumicas.Traduo da 3a ed. So Paulo: Editora Edgard Blucher, 2000. 584p.

PERUZZO, Lucile Ceclia.Influncia de agentes auxiliares na adsoro decorantes de efluentes da indstria txtil em colunas de leito fixo . 2003.Disponvel em: Acesso em:10 out. 2014.

SANTOS, Valdemir Alexandre et al. Extrapolao de dados cinticosobtidos em reatores qumicos homogneos. 2002. Disponivel em: Acesso em: 10 out. 2014.
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA_UEAG/cineticahttp://www.abqct.com.br/artigost/artigoesp21.pdfhttp://www.unicap.br/Arte/ler.php?art_cod=517http://www.unicap.br/Arte/ler.php?art_cod=517http://www.abqct.com.br/artigost/artigoesp21.pdfhttp://www.ebah.com.br/content/ABAAAA_UEAG/cinetica

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