Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri- UFVJMInstituto de Cincia e Tecnologia- ICTEngenharia Qumica-ENQ 302Laboratrio de Engenharia Qumica II

Reatores

Discentes: Anglica AvelarBruno guiarFelipe BragaGabrielBecheleniShirley NascimentoThas NascimentoDocente: TarcilaMantovanAtolini

Diamantina, 15 de Abril de 2015SUMRIO1 INTRODUO E REFERNCIAL TERICO ....................................................................................2 OBJETIVOS .................................................................................................................................2.2 OBJETIVO GERAL .....................................................................................................................2.3 OBJETIVOS ESPECFICOS..........................................................................................................3 MATERIAIS E MTODOS.............................................................................................................3.1 EQUIPAMENTOS E MATERIAIS ................................................................................................3.1.2 REAGENTES...........................................................................................................................3.2 METODOLOGIA......................................................................................................................4 RESULTADOS E DISCUSSO ..................................................................................................... 5 CONCLUSO............................................................................................................................. 6 SUGESTO PARA CONTINUO DO TRABALHO....................................................................... REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS................................................................................................... APNDICE..........................................................................................................................

1.INTRODUO E REFERNCIAL TERICO1.1 IntroduoDe forma geral,reator qumico um recipiente onde ocorremreaes qumicas, transferncias de massa e calor. Os tipos de reatores utilizados na prtica foram: Reatores em batelada consistem em tanques com agitao mecnica no qual todos os reagentes so introduzidos no reator de uma nica vez e em seguida so misturados reagindo entre si. Determinado tempo depois, os produtos obtidos so descarregados de uma vez deste reator. Reatores de mistura so tanques agitados com escoamento contnuo e sem acmulo de reagentes ou produtos e so operados de acordo com as caractersticas seguintes: composio uniforme dentro do reator, a composio de sada igual composio do interior do reator e a taxa da reao a mesma em todo o reator, inclusive na sada. Reatores Tubulares so tubos sem agitao no qual todas as partculas escoam com a mesma velocidade na direo do fluxo.

Tabela 1 - Anlise da variao da concentrao em funo do tempo em uma posio fixa ouda variao da concentrao em funo da posio no reator num tempo fixo.ReatorCi com o tempoCino espao

BateladaVariaNo varia

CSTRNo variaNo varia

PFRNo variaVaria

1.2 Reviso BibliogrficaEquao Geral do BalanoPara a realizao de um balano molar em um sistema, primeiramente deve-se especificar as fronteiras desse sistema. Sendo o volume envolvido por essas fronteiras chamado de volume do sistema. Realiza-se um balano molar da espcie j em um volume do sistema, onde a espcie j representa a espcie qumica de interesse. O balano molar da espcie j em qualquer instante de tempo t resulta na equao abaixo:

Figura 1: Balano molar do componente j

(1)

Em que Nj o numero de mols da espcie j no sistema no tempo t.E considerando que as variveis do sistema so espacialmente uniformes em todo o volume do sistema, a Gj (velocidade de gerao da espcie j), ser o produto do volume de reao (V) e a velocidade de formao da espcie j (rj).

(2)

Se a velocidade de formao da espcie j para a reao variar com a posio no volume do sistema, ou seja, essa velocidade tenha um valor rj1 na localizao 1, cercada por um pequeno volumeV1, onde a velocidade uniforme, e da mesma forma, a velocidade de reao tem um valor rj2 na localizao 2 e um V2.

Figura 2: Diviso do volume do sistemaA velocidade de gerao, Gj1, em termos de rj1 e de V1 :

(3)

Da mesma forma pode-se escrever a formula para Gj2 e outros subvolumes do sistema Vi. Assim chega-se a expresso da velocidade total de gerao:

(4)

Onde a velocidade total de gerao no interior do volume do sistema a soma de todas as velocidades de gerao em cada um dos subvolumes. Sendo o volume total do sistema dividido em M subvolumes. E definindo os limites apropriados (M e V0) e usando a definio de integral,reescreve-se a equao assim:(5)Pela equao 5 possvel ver que rj ser uma funo indireta da posio,pois as propriedades dos reagentes e as condies reacionais podem ter valores diferentes nas diferentes localizaes do reator.Substituindo a equao 5 na 1, temos:(6)Resultando na forma da equao geral do balano molar para qualquer espcie qumica j que est entrando,saindo,reagindo e/ou acumulando no interior do volume do sistema V. E a partir dessa equao podemos desenvolver as equaes de projeto para varios tipos de reatores industriais.

Tipos de Reatores: Reator em batelada (ou descontnuo) o tipo de reator usado em operaes em pequenas escalas, geralmente para testar novos processos que no foram desenvolvidos por completo, na fabricao de produtos de custo elevado e para processos que apresentam dificuldades em serem convertidos em operaes contnuas. Esse reator pode ser alimentado por via dos orifcios presentes em seu topo (Figura 2). A vantagem do reator em batelada so as altas converses alcanadas quando o reagente deixado no reator por um maior perodo de tempo. Entretanto, como desvantagens tm-se os altos custos de operao, variabilidade dos produtos de uma batelada a outra e dificuldade de produo em larga escala.

Figura 2- Reator homogneo em batelada simples

No reator descontinuo no ocorrem entrada nem sada dos reagentes ou produtos no decorrer da reao, logo: Fj0= Fj= 0. Resultando no seguinte balano geral molar para a espcie j:

(7)

No ocorrer variao na velocidade de reao no interior do volume do reator se a mistura reacional estiver perfeitamente misturada, portanto, pode-se retirar o rjda integral, resolver a integral e o balano molar ser:

(8)

Considerando a isomerizao da espcie A em reator batelada do tipo AB, medida que a reao acontece o nmero de mols de A diminui e o nmero de mols de B aumenta. Esse fenmeno pode ser observado abaixo:

Figura 3 Trajetrias mol tempo.

O tempo tlnecessrio para reduzir o numero inicial de mols de NA0 para um numero final NAJ encontrado daseguinte forma:

(9)

Rearranjando,(10)

Integrando a equao 11 com limites que em t = 0, NA= NA0, e em que t = tl, NA= NAl,temos:

(11)

A forma integral do balano molar em um reator em batelada dada pela equao 12, que fornece o tempo, tl, necessrio para reduzir o numero de mols de NA0paraNAJe para formar NBl mols de B.

Reator Contnuo de Tanque Agitado (CSTR ou reator de retromistura)- um tanque agitado operado continuamente que geralmente usado em processamento industrial e principalmente para reaes em fase lquida. O CSTR normalmente operado em estado estacionrio e sendo considerado um reator de mistura perfeita, logo, a temperatura, concentrao ou a velocidade de reao em seu interior no dependem da posio ou do tempo. Isto , em qualquer ponto no interior do reator cada varivel ser a mesma. Sendo assim, a temperatura e a concentrao so modeladas como iguais na corrente de sada como em qualquer ponto do reator.

Figura 4 Reator CSTR

A equao geral de balano molar aplicada a um CSTR quando operado em estado estacionrio :

(12)

Onde no h variaes espaciais na velocidade de reao, ou seja, mistura perfeita,

(13)

Adquirindo a forma da equao de projeto para um CSTR:(14)Esta equao fornece o volume V do reator que necessrio para reduzir a vazo da espcie j que entra de Fj0 para a vazo de sada Fj, quando a espcie j desaparece a uma velocidade de - rj. Esse modelo mostra que a vazo molar Fj o produto da concentrao da espcie j e a vazo volumtrica :(15)Relacionando as equaes 15 e 16, pode-se escrever um balano para a espcie A como:(16)

Reator tubular (PFR) Esse reator consiste em um tubo cilndrico e normalmente operado em estado estacionrio, sendo esse reator mais utilizado para reaes em fases gasosas. Nele, os reagentes so continuamente consumidos medida que eles escoam ao longo do reator. Nesse modelo suposto que a concentrao varie continuamente na direo axial atravs do reator. Logo a velocidade da reao que uma funo da concentrao para todas as reaes (com exceo das de ordem zero) tambm variar axialmente. Considerando que o campo de escoamento ser modelado por um perfil de escoamento empistonado, ou seja, no h variao radial na velocidade de reao.

Figura 5 Reator PFRPara projetar PFRs no estado estacionrio, o volume diferencial V, ser escolhido bem pequeno, tal que no haja variaes na velocidade de reao no interior desse volume. Dessa forma, o termo de gerao, Gj, :

(17)

Figura 6: Balano molar para um reator PFR

Dividindo por V e rearranjando, temos:

(18)

Onde o termo em colchete se assemelha a definio da derivada:

Quando o limite quando V tende a zero, encontra-se a forma diferencial do balano molar em estado estacionrio para um PFR:

(19)Considerando a isomerizao AB em um PFR. medida que os reagentes escoam pelo reator, A consumido por reao qumica e B produzido. Logo, a velocidade molar de escoamento de B aumenta e a de A diminui, como aparece na figura abaixo:Figura 7 Perfis de vazes molares de um PFR

Para a espcie A, o balano molar de forma rearranjada :

(20)Integrando com os limites em V = 0, ento FA = FA0, e em V = Vl, ento FA = FAl:(21)

Vl o volume necessrio para reduzir a vazo molar de entrada, FA0, para algum valor especfico, FAl, e tambm o volume necessrio para produzir uma vazo molar de B igual a FBl.Conceitos importantes ConversoPara definir converso, primeiramente escolhido um dos reagentes como base de calculo, em seguida relaciona-se a essa base as outras espcies presentes na reao. Considerando a reao geral:

E tomando como base de calculo a espcie A, divide-se a expresso da reao pelo coeficiente estequiomtrico da espcie A para que cada grandeza seja expressa em base por mol de A:

A converso XA o numero de mols de A que reagiram por mol de A alimentado no sistema:

(22)Para reaes que so irreversveis a converso mxima obtida 1, j para reaes reversveis a converso mxima a converso de equilbrio. Na tabela abaixo apresentado um resumo das formas diferenciais, algbricas e integrais para diferentes tipos de reatores.Tabela 1- Termos de converso para os tipos de reatores

Tempo espacial

Define-se tempo espacial ou tempo de residncia media pelo tempo necessrio para processar um volume de fluido no reator baseando-se nas condies de entrada. Para se obter o tempo espacial , divide-se o volume do reator pela vazo volumtrica de entrada no reator:

(23)

Na tabela abaixo possvel encontrar uma faixa de tempos tpicos de processamento em termos de tempo espacial para reatores industriais.

Tabela 2 Tempos espaciais tpicos para reatores industriais

Velocidade espacial

A velocidade espacial pode ser considerada como o inverso do tempo espacial primeira vista:

Entretanto para o tempo espacial, a vazo volumtrica de entrada medida nas condies de entrada e para a velocidade espacial utilizam outras condies (FOGLER, 2009).

2 . OBJETIVOS2.2. Objetivo Geral Estudar a cintica de reao entre o Acetato de Etila (CH3COOC2H5) e o hidrxido de sdio (reao de saponificao).2.3. Objetivos especficos Determinao da Velocidade de uma Reao Qumica (Ordem e Constante de Velocidade). Determinao da Energia de Ativao da Reao. Anlise da Influncia da Temperatura na Velocidade da Reao. Estudar um CSTR e um PFR

3. MATERIAIS E MTODOS3.1 EQUIPAMENTOS E MATERIAISOs equipamentos e materiais utilizados durante o experimento foram:FenolftalenaBqueresPipetas VolumtricasErlenmeyersBuretasSuporte e garraBasto de VidroRecipiente de GeloCronometroMdulo didtico de reatores da UpControl (Engenharia de Processos e Controle Digital), contendo dois reatores de bancada, um CSTR, cujo tem capacidade de 1,5L e um PFR, com trs sees retas de 50 mm cada, um painel de controle, um controlador de vazo e um aquecedor, alm de trs tanques de armazenamento.

3.1.2. REAGENTESOs reagentes utilizados durante o experimento forama soluo de Acetato de Etila (0,02 M), cido Clordrico (0,02M) e Hidrxido de Sdio (0,02M).

3.2 METODOLOGIAO experimento foi divido em duas partes. A parte 1 ou cintica realizada num reator batelada e a parte 2, em fluxo contnuo.Procedimento Experimental, parte 1:Fez-se a parte cintica do experimento em duas temperaturas diferentes, 22C (temperatura ambiente) e 7C. Iniciou-se o procedimento para a temperatura de 22C, pipetando-se 25mL da soluo de HCl em 7 erlenmeyers de 125mL e adicionou-se 3 gotas de fenolftalena em cada um deles. Em um bquer de 600mL misturou-se 250mL de NaOH e Acetato de Etila. Assim que iniciou-se a reao, cronometrou-se o tempo. Um basto de vidro foi usado para manter agitao constante.Com o auxlio de uma pipeta graduada retirou-se amostras 25mL do bequer de reao transferindo-as para os erlenmeyers que continham 30mL de HCl, de forma rpida. A retirada dessas amostras ocorreu aos 2, 5,10,20,30,40 e 50 minutos. Nenhuma amostra se apresentou rsea, logo o descarte no foi necessrio. Titulou-se oexcedente dos erlenmeyers com a soluo de NaOH usando-se a fenolftalena como indicador cido-base.Para a temperatura de 7C, usou-se abacia de gelo para resfriar os reagentes e repetiu-se os passos mencionados acima.Procedimento Experimental, parte 2:Pipetou-se 25 mL de soluo de HCl em 3 erlenmeyers de 125mL e adiciou-se 3 gotas de fenolftalena.Adicionou-se 5L de soluo de Acetato de Etila no tanque 1 e 5L de soluo de NaOH no tanque 2 do mdulo didtico de reatores. Acionaram-se as bombas de alimentao dos reagentes de forma simultaneamente, no primeiro momento para o reator CSTR. Regularam-se as vazes e cuidou-se para que as mesmas fossem mantidas iguais a 0,2L/min durante o procedimento.Ligou-se o agitador e ao passar 5 minutos retirou-se uma alquota de 25 mL transferindo-a para o erlenmeyer contendo HCl.Ento fechou-se a vlvula do CSTR e abriu-se a vlvula do reator PFR.Aps 5 minutos retirou-se uma alquota de 25mL da vlvula 2 e uma da vlvula 1 adicionando-as aos erlenmeyers contendo HCl. Titulou-se o cido excedente nos erlenmeyers com a soluo de NaOH usando a fenolftalena como indicador.

4. RESULTADOS E DISCUSSO4.1.1 Hidrlise Bsica dos steres A rota de reao da hidrlise bsica dos steres a seguinte:

Figura 8: Rota da hidrlise bsica dos steres.Conhecida tambm como saponificao pode-se produzir um lcool e o sal de sdio do cido, refluxando um ster com hidrxido de sdio aquoso.De acordo com o mecanismo apresentado a seguir, a reao se mostra essencialmente irreversvel, quando promovida por base, pois o on carboxilato carregado negativamente pouco reativo para um mecanismo com substituio nucleoflica. Figura 9: Mecanismo da hidrlise bsica dos steres.4.1.2 Expresso da taxa A equao: 325+3COONa+ 32 (4.1)

escrita na forma genrica como: + + (4.2) a reao qumica de hidrlise do acetato de etila pelo hidrxido de sdio em fase lquida.Para determinar a velocidade com que certo reagente consumido precisa-se saber sua concentrao e a temperatura do meio reacional. Usando equao genrica (4.2) para facilitaro entendimento e considerando a mesma sem variao de volume, e irreversvel, pode-se expressar esta velocidade pela equao abaixo:

[A ]=(4.3)Sendo:rA a taxa de reao. Quando acompanhado de sinal negativo considerasse-seque o reagente A est sendo consumido;k = constante da velocidade;a = coeficiente estequiomtrico de A ;CA = concentrao do acetato de etila (mol/L); CB = concentrao do hidrxido de sdio (mol/L); b = coeficiente estequiomtrico de B.

Usando o balano de massa, a equao de projeto de um reator batelada e fazendo-se a consideraes necessrias, tais como: no h entrada e nem sada durante a reao e que o volume constante, obtm-se:

= (4.4)

Substituindo a equao (4.3) na (4.4), temos que:

- = (4.5)

Tratando a relao de CB, considerando a reao como isotrmica e desprezando-se o fator de compressibilidade, tem-se:

= ()= ( ())(4.6)

Considerando-se tambm que as concentraes iniciais dos reagentes so iguais e que a = b = 1, tem-se:

= (1)=(4.7)

Assim, a taxa da reao qumica de hidrlise do acetato de etila pelo hidrxido de sdio em fase lquida pode ser descrita por:- =(4.8)Onde n = a+b, tornando assim razovel a considerao que a reao de 2 ordem.

5.CONCLUSO 6.SUGESTO PARA CONTINUO DO TRABALHO7.REFERNCIAS BIBLIOGRFICASSOLOMONS, T. W. Graham; Fryhle, Craig B. Qumica Orgnica, vol. 2. 9 ed. LTC, 2009 Rota de sntese disponvel em: Acesso em: 13 de Abril de 2015FOGLER, H. S. Elementos de Engenharia das Reaes Quimicas, 4 Ed. LTC, 20098. APNDICE