Relatorio Reatores Homogeneos formatado 8.docx

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1. Introdução:

Reatores químicos são equipamentos ou aparelhos que tem por objetivo principal a

realização de uma reação química, sob condição controlada e consequente obtenção de

um ou mais produtos dentro de especificações desejadas. Pode-se dividir em dois

grandes grupos: reator homogêneo (gás e líquido) e reator heterogêneo (gás-líquido,

gás-sólido, líquido-líquido, líquido- sólido e gás-líquido-sólido), tal classificação é feita

Conforme a natureza das fases participantes. Além disso eles podem ser classificados

em contínuos e descontínuos. Os reatores contínuos são de dois tipos: reatores contínuos

de tanque agitado (CSTR) e tubular (PFR). Já os reatores descontínuos são os reatores

batelada e semi-batelada.

O projeto de um reator necessita das equações que expressam o balanço material,

balanço energético, velocidades da reação e variações de pressão (quantidade de

movimento). Para a escolha de um determinado reator é necessário realizar estudos

cinéticos para dessa forma, ser obtido um modelo adequado. Quando da manipulação de

reações com presença de mais de uma fase reacional, acrescenta-se uma etapa de estudo

hidrodinâmico, para quantificação de perdas de carga, regimes de escoamento e

distribuição de tempos de residência, ao qual se deve associar efeitos de transferência de

calor e massa.

Dois tipos de escoamento ideais são conhecidos e empregados em projetos: o

tubular empistonado ("plug flow") e o de mistura perfeita ("backmix flow"). Os

métodos de projeto baseados nestes modelos de escoamento são relativamente simples,

e em grande parte dos casos, o escoamento se aproxima com erro desprezivel do

comportamento ideal. Por outro lado, os projetos que levam em conta os desvios da

idealidade são mais complexos e ainda não estão bem desenvolvidos). Os desvios

podem ser causados pela formação de canais, pelo reciclo de fluído, pelo aparecimento

de regiões estagnantes no recipiente ou por outros fenômenos não considerados nas

hipóteses dos modelos ideais.

A uniformidade de composição em todo o volume do sistema caracteriza o

primeiro tipo de reator, no qual a composição do meio se iguala àquela efluente, por

outro lado, diferentes composições em todos os elementos de volume ao longo do

comprimento do tubo, caracterizam o reator tubular de pistão.

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O reator tubular tem as vantagens de ter a manutenção relativamente fácil e Produzir

a conversão mais alta por volume de reator dentre os reatores com escoamento. . O

inconveniente dele é o fato de ser difícil de controlar a temperatura do reator, podendo

ocorrer pontos quentes quando a reação é exotérmica. Normalmente, ele é encontrado

tanto na forma de um tubo longo, assim como na de vários reatores menores em um

feixe de tubos.

O reator pistonado, também conhecido como reator tubular, caracteriza-se por

apresentar um escoamento ordenado dos elementos fluidos. No reator tubular não há

difusão ao longo do percurso e nem diferença de velocidade entre dois elementos

quaisquer do fluido. Uma condição necessária e suficiente num reator tubular é a

constância do tempo de permanência para qualquer elemento do fluido.

O reator tubular é um equipamento simples onde não se encontram partes

móveis. A eficiência de troca térmica é maior que num tanque agitado, por conta da

maior relação área/volume. Contudo, desenvolve-se um perfil de velocidades ao longo

do reator.

No reator, condutos de entrada seguem para o interior do tubo de reação através

do seu fecho de fundo, mas também podem ser introduzidos por cima e se estendem

axialmente através do pistão. Um tubo de saída é provido na região do fecho de topo do

tubo de reação. O pistão é união por meio de uma biela de pistão a um vibrador, que

promove o movimento axial oscilatório do pistão. Essas oscilações geram turbulências

nos sulcos anulares do pistão, o que provoca uma mistura completa dos participantes da

areação sem causar nenhuma recombinação marcante dos produtos da reação resultantes

com os componentes de partida.

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2. Objetivos:

Estudar um sistema de reator tubular pistão, aplicando as equações do modelo do

reator, o qual nos permita quantificar a concentração do reagente na interface (mudança

de coloração) característica do término da reação entre KI e H2O2 e aplicar as equações

de modelo do reator tubular pistão para quantificação da conversão do reagente H2O2.

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3. Materiais e métodos:

3.1 Materiais:

Material Quantidade

Água Destilada 750 mL

Ácido Sulfúrico (H2SO4) 2 M 50 mL

Iodeto de Potássio (KI) 1 M 100 mL

Tiossulfato de Sódio (Na2S2O3) 0,1 M 50 mL

Solução de Amido 0,5% 25 mL

Solução de H2O2 0,33%, 0,40% e 0,5% ---

Provetas 100 mL, 500 mL, 1000 mL 03

Balão de 5.000 mL 02

Reator Tubular 01

Bomba peristáltica com 2 canais 01

Mangueiras 02

Válvulas 01

Cronômetro 1

Tabela 1 – Materiais e equipamentos

3.2 Metodologia:

- Calcular as vazões nas mangueiras fina e grossa com água para cada rotação da

bomba.

- Processar a reação de produção de iodo (I2) via interação entre iodeto de potássio (KI)

e peróxido de hidrogênio (H2O2) em um reator tubular A reação é equacionada nos

seguintes termos: H2O2 + KI H⃗ 2SO4 I2 + K2SO4 + H2O.

- No processo observar as mudanças de cor (transparente/azul) da solução devido ao

ataque do amido pelo iodo produzido pela reação, a qual é conduzida ao longo do reator

tubular.

- As reações auxiliares que sinalizam a evolução da reação, mantêm o meio reacional

transparente enquanto há excesso de tiossulfato de sódio (Na2S2O3), nas alimentações

dos reatores e próximos delas. Este meio muda para azul quando todo tiossulfato é

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consumido via reação com o iodo produzido, o qual desloca sua ação para o amido

presente no meio.

- As reações auxiliares indicadoras são assim equacionadas:

I2 + 2 Na2S2O3 2 NaI + Na2S4O6 (transparente)

I2 + Amido I2 + Amido (azul)

- Preparar duas soluções reagentes e abastecer os dois reservatórios conectados a duas

bombas de alimentação dos reatores:

solução 1 (mangueira fina): H2O2 em três concentrações: 0,33%, 0,40% e 0,50%

solução 2 (mangueira grossa): KI, H2SO4, Amido, Na2S2O3, água destilada

- Alimentar o reator tubular bombeamento com as suas soluções reagentes (solução 1 e

solução 2), mantendo a vazão total da fase líquida.

- Regular as vazões das soluções de modo a se ter mudança de cor, de incolor para azul,

na metade do comprimento do reator, no caso do reator tubular (Figura 3).

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4. Resultados e Discussões:

A reação que ocorreu no experimento em um reator tubular pistão pode ser

representada pela seguinte equação:

H2O2 + KI ---H2SO4---> I2 + K2SO4 + H2O equação 01

A partir dessa reação foi possível observar uma mudança de coloração. Tal fato ocorreu

devido ao ataque do amido pelo iodo produzido na reação

As reações auxiliares indicadoras são equacionadas da seguinte maneira:

I2 + 2 Na2S2O3 ----> 2 NaI + Na2S4O6 (coloração transparente) equação 02

I2 + Amido ----> I2 + Amido (coloração azul) equação 03

Estudou-se a variação da conversão com relação à vazão, com isso foram

utilizados valores diferentes de vazões mudando-se a frequência de rotação da bomba

(40 rpm, 80 rpm e 120 rpm e 160 rpm) . A vazão de entrada no reator tubular é dada

pela soma da vazão da mistura de todos os outros componentes (solução 2) com a vazão

da solução de água oxigenada (solução 1). O valor adotado para a realização dos

cálculos foi o da vazão média. As concentrações de H2O2 utilizadas foram de (0,33%,

0,40% e 0,50%).

Cálculo das vazões:

Para cada rotação e instante correspondentes foram medidos os volumes e assim

calculadas as vazões. A partir desses valores, foram encontradas as vazões médias para

cada rotação utilizada. Este procedimento foi realizado para a solução de peróxido de

hidrogênio e para a solução da mistura. Como dito anteriormente, a vazão de entrada no

reator tubular é dada pela soma da vazão da mistura de todos os outros componentes

(solução 2) com a vazão da solução de água oxigenada (solução 1). Desta forma, os

valores encontrados seguem:

a) 40 rpm

Q1 = QH2O2 + Qmistura

Q1 = 0,07043185 + 0,303030303

= 0,373462153 mL/s

Q1 = 3,73 x 10-7 m³/s

b) 80 rpm

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Q2 = QH2O2 + Qmistura

Q2 = 0,110305958 + 0,5

= 0,610305958 mL/s

Q2 = 6,10 x 10-7 m³/s

c) 120 rpm

Q3 = QH2O2 + Qmistura

Q3= 0,154671717 + 0,732600733

= 0,88727245 mL/s

Q3 = 8,87 x 10-7 m³/s

d) 160 rpm

Q4 = QH2O2 + Qmistura

Q4= 0,205555556 + 1

= 1,205555556 mL/s

Q4 = 1,20 x 10-6 m³/s

As concentrações utilizadas na reação foram dadas em porcentagem por volume.

Para os cálculos, deve-se encontrar as concentrações na entrada do reator em mol/L.O

cálculo pode ser realizado pela equação a seguir:

CH 2O2

o =τ vol ¿( dH2O2

MMH 2O2) equação 04

Para 0 ,33 %

CH 2O2

o =0 ,0033⋅( 1 ,476 g/mL34 g/mol )=1,43×10-4 mol/mL= 0,143 mol/L

Para 0 ,40 % ,

CH 2O2

o =0 ,0040⋅( 1 ,476 g/mL34 g/mol )=1,74×10 -4 mol/mL= 0,174mol/L

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Para 0 ,50 %

CH 2O2

o =0 ,0050⋅( 1 ,476 g/mL34 g/mol )=2,17×10 -4 mol/mL=0,217 mol/L

Porém, deve-se levar em consideração, que a vazão devido à mistura adicionada

irá ocasionar uma concentração na entrada do reator diferente da calculada

anteriormente. Quando esta entra na mistura, sofre uma nova diluição que pode ser

calculada utilizando as vazões da água oxigenada pura e de alimentação (peróxido +

mistura).

Desta forma, utilizando a equação:

[H 2O2]0PuraQ ' 0=[H 2O2]0

mistQ0 (Eq. 05)

onde Q’0 é a vazão de H2O2 pura e Q0 é a vazão de alimentação.

Para 0,33%:

CH 2O2

o =0 ,01330mol /L

Para 0,40%:

CH 2O2

o =0 ,01619mol /L

Para 0,5%:

CH 2O2

o =0 ,02019mol /L

Os resultados obtidos na prática serão avaliados graficamente de duas formas:

Mantendo-se a concentração inicial de peróxido constante e variando-se a rotação da

bomba e de outra forma, mantendo-se a rotação da bomba constante e variando-se a

concentração de peróxido.

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Caso 01: Concentração inicial de peróxido constante e variando-se a rotação da bomba:

0.0000002 0.0000004 0.0000006 0.0000008 0.0000010

102030405060

Volume do Reator X Vazão de Entrada (concentração constante)

0.33%0.40%0.50%

Vazão de Entrada (m³/s)

Vol

ume

do R

eato

r ((

mL

)

Gráfico 01. Volume do reator (ml)x Vazão de entrada

Para uma mesma concentração inicial de peróxido foram feitas medições dos

volumes desta forma, foi possível gerar o gráfico 01 dos Volumes do reator em função

da vazão de entrada utilizada.

É possível observar no gráfico que o volume do reator é maior para uma maior

concentração de peróxido em volume. Tal fato é esperado pois quanto maior a vazão de

entrada no reator, mais lentamente a mistura passa pelo reator, logo maior o seu tempo

de residência, com um maior tempo de residência, necessita-se de um volume maior

quando se quer obter a mesma conversão.

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Caso 02: Mantendo-se a rotação da bomba constante e variando-se a concentração de

peróxido:

0.32 0.34 0.36 0.38 0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 0.520

10

20

30

40

50

60

70

Volume do ReatorXConcentração Inicial de H2O2 ( vazão constante)

40 rpm

80 rpm

120 rpm

160 rpm

Concentração Inicial da solução de H2O2 (V/V%)

Vol

ume

do R

eato

r (m

L)

Gráfico 02. Volume do reator (ml)x Concentração inicial de peróxido (V/V%)

Observa-se que quanto maior a concentração inicial de peróxido menor o

volume do reator correspondente. Tal fato pode ser explicado pois tendo-se uma

concentração maior , o tempo de residência é menor ( se processa mais rapidamente),

desta forma, para obter-se uma mesma conversão é necessário um volume menor do

reator.

Em um reator pistonado, a composição do fluido varia ponto a ponto, ao longo

do escoamento, consequentemente, o balanço material, para um componente da reação,

deverá ser feito para um elemento diferencial dV.

Para o cálculo da conversão é realizado um balanço de massa sobre o reator

pistão:

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[Quantidadede matériaque entra no volume de controle

]=[Quantidadede matériaque sai do volume de controle

]−[Quantidadede matériagerada no volume de controle

]+[Quantidadede matériaconsumida no volume de controle

]dFAo = dFA + (-rA)dVR + 0

dFAo = d[FAo(1 – XA)] + (-rA)dVR

d(FAoXA) = (-rA)dVR

A equação anterior corresponde ao balanço para o componente A na seção

diferencial do reator, cujo volume do fluido é dV.

QCAodXA = (-rA)dVR

dV R=QC Ao

dX A−rA

V R=QCAo∫0

X A dX A−r A

Sabe-se que tal reação era de primeira ordem: -rA = kCA = kCAo(1 – XA)

V R=Qk∫0

X A dX A(1−X A )

τ=V RQ

=−1k

ln (1−X A)

VR = Volume do reator;

Q = Vazão volumétrica do reagente;

= tempo de residência;

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Com esta equação é possível determinar o tamanho do reator para certa

velocidade de alimentação e conversão.

Organizando a equação, pode-se chegar a equação que permite encontrar a

conversão XA.

−kτ=ln(1−X A )

e−kτ=1−X A

X A=1−e−kτ

Os valores encontrados para a conversão está evidenciado na tabela 04 .

Para este cálculo foi utilizado um valor de K = 0,947 s-1 que foi retirado do

relatório 03 realizado sobre a prática de cinética homogênea. Observou-se que com esse

valor a conversão foi próxima de 1. Os valores encontrados estão na tabela 04 do

anexo.

A partir dos valores encontrados para a conversão foi possível achar a concentração

final de peróxido de hidrogênio como mostra a Tabela 04.

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5. Conclusão:

Com a realização da prática foi possível entender o funcionamento de um reator

tubular e suas equações. Também foi possível perceber a relação entre o volume do

reator e a vazão de entrada utilizada. Quanto maior a vazão de entrada do reator,

maior o volume o reator deve possuir, pois a reação se processa mais lentamente. E

que quanto maior a concentração inicial de peróxido menor o volume do reator

correspondente, pois tem-se uma reação mais rápida, menor tempo de residência.

Também foi possível calcular as conversões. Notou-se que , em geral elas se

aproximam de um e outras tiveram valor 1.

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6. Bibliografia:

1. FOGLER, H. S.; Elements of Chemical Reaction Engineering. 3ª ed. Prentice Hall; PTR, 1999.

2. LEVENSPIEL, O.; Engenharia das Reações Químicas. Cinética Química Aplicada. Ed Edgard Blücher Ltda., 1994.

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7. Anexos

Mangueira Fina (H2O2)

Rotação (rpm) Tempo (s)

Volume (mL)

Vazão (mL/s)

Vazão média

40 71 5 0,070422535 0,07043185

40 70 5 0,071428571

40 72 5 0,069444444

80 46 5 0,108695652 0,110305958

80 45 5 0,111111111

80 45 5 0,111111111

120 32 5 0,15625 0,154671717

120 33 5 0,151515152

120 32 5 0,15625

160 24 5 0,208333333 0,205555556

160 25 5 0,2

160 24 5 0,208333333

Tabela 1- Vazão da solução de H2O2 para cada velocidade de rotação da bomba

Mangueira Grossa (Mistura)

Rotação (rpm) Tempo (s)

Volume (mL)

Vazão (mL/s)

Vazão média

40 33 10 0,303030303

0,303030303

40 33 10 0,303030303

40 33 10 0,303030303

80 20 10 0,5 0,580 20 10 0,580 20 10 0,5120 13 10 0,76923076

90,73260073

3120 14 10 0,71428571

4120 14 10 0,71428571

4160 10 10 1 1

160 10 10 1160 10 10 1

Tabela 2 - Vazão da solução da mistura para cada velocidade de rotação da bomba

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Concentração Inicial

H2O2 (%V/V)

Concentração Inicial

H2O2 (mol/L)

Rotação (rpm)

Vazão (m³/s)

Volume Reator

com recheio (mL)

Volume

Reator sem rechei

o (mL)

Tempo de Residênci

a (s)

0,33 0,0133 40 0,000000373

23 22 58,98123324

80 0,00000061

35 32 52,45901639

120 0,000000887

60 51 57,49718151

160 0,0000012 76 64,5 -0,4 0,01619 40 0,0000003

7315 15 40,214477

2180 0,0000006

123 22 36,065573

77120 0,0000008

87excesso vazão

- -

160 0,0000012 excesso vazão

- -

0,5 0,02019 40 0,000000373

5 7 18,76675603

80 0,00000061

9 10 16,39344262

120 0,000000887

32 29,5 33,25817362

160 0,0000012 excesso vazão

- -

Tabela 3 - Dados para o cálculo do tempo de residência e da conversão para cada concentração incial de H2O2 e para cada vazão

Tempo de Residência (s)

Conversão Concentração Final H2O2 (mol/L)

Concentração Final H2O2 (%V/V)

58,98123324 1 0 052,45901639 1 0 057,49718151 1 7,38298E-18 1,70069E-14

- - - -40,21447721 1 3,32342E-13 7,65556E-1036,06557377 1 4,20945E-12 9,69656E-09

- - - -- - - -

18,76675603 0,999999981 3,86192E-10 8,89603E-07

16

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16,39344262 0,999999819 3,65504E-09 8,41948E-0633,25817362 0,999999999 2,92569E-11 6,73938E-08

- - - -Tabela 4- Dados para o cálculo do tempo de residência e da conversão para cada concentração incial de

H2O2 e para cada vazão

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