Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri- UFVJM

Instituto de Ciência e Tecnologia- ICT

Engenharia Química-ENQ 302

Laboratório de Engenharia Química II

Reatores

Discentes: Angélica Avelar

Bruno Águiar

Felipe Braga

GabrielBecheleni

Shirley Nascimento

Thaís Nascimento

Docente: TarcilaMantovanAtolini

Diamantina, 15 de Abril de 2015

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO E REFERÊNCIAL TEÓRICO ....................................................................................2 OBJETIVOS .................................................................................................................................2.2 OBJETIVO GERAL .....................................................................................................................2.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS..........................................................................................................3 MATERIAIS E MÉTODOS.............................................................................................................3.1 EQUIPAMENTOS E MATERIAIS ................................................................................................3.1.2 REAGENTES...........................................................................................................................3.2 METODOLOGIA......................................................................................................................4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ..................................................................................................... 5 CONCLUSÃO............................................................................................................................. 6 SUGESTÃO PARA CONTINUÇÃO DO TRABALHO....................................................................... REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................................... APÊNDICE..........................................................................................................................

1.INTRODUÇÃO E REFERÊNCIAL TEÓRICO

1.1 Introdução

De forma geral, reator químico é um recipiente onde ocorrem reações químicas, transferências de massa e calor. Os tipos de reatores utilizados na prática foram: Reatores em batelada consistem em tanques com agitação mecânica no qual todos os reagentes são introduzidos no reator de uma única vez e em seguida são misturados reagindo entre si. Determinado tempo depois, os produtos obtidos são descarregados de uma vez deste reator. Reatores de mistura são tanques agitados com escoamento contínuo e sem acúmulo de reagentes ou produtos e são operados de acordo com as características seguintes: composição uniforme dentro do reator, a composição de saída é igual à composição do interior do reator e a taxa da reação é a mesma em todo o reator, inclusive na saída. Reatores Tubulares são tubos sem agitação no qual todas as partículas escoam com a mesma velocidade na direção do fluxo.

Tabela 1 - Análise da variação da concentração em função do tempo em uma posição fixa ouda variação da concentração em função da posição no reator num tempo fixo.

Reator ΔCi com o tempo ΔCino espaçoBatelada Varia Não variaCSTR Não varia Não variaPFR Não varia Varia

1.2 Revisão BibliográficaEquação Geral do Balanço

Para a realização de um balanço 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 balanço molar da espécie j em um volume do sistema, onde a espécie j representa a espécie química de interesse. O balanço molar da espécie j em qualquer instante de tempo t resulta na equação abaixo:

Figura 1: Balanço molar do componente j

F j0−F j+G j=dN j

dt(1)

Em que Njé o numero de mols da espécie j no sistema no tempo t.E considerando que as variáveis do sistema são espacialmente uniformes em todo o volume do sistema, a G j

(velocidade de geração da espécie j), será o produto do volume de reação (V) e a velocidade de formação da espécie j (rj).

G j=r j .V (2)

molstempo

= molstempo . volume

. volume

Se a velocidade de formação da espécie j para a reação variar com a posição no volume do sistema, ou seja, essa velocidade tenha um valor rj1 na localização 1, cercada por um pequeno volumeΔV1, onde a velocidade é uniforme, e da mesma forma, a velocidade de reação tem um valor rj2 na localização 2 e um ΔV2.

Figura 2: Divisão do volume do sistema

A velocidade de geração, ΔGj1, em termos de rj1 e de ΔV1 é:

ΔG j1=r j1ΔV 1 (3)

Da mesma forma pode-se escrever a formula para ΔGj2 e outros subvolumes do sistema ΔVi. Assim chega-se a expressão da velocidade total de geração:

G j=∑i=1

M

ΔG ji=∑i=1

M

r jiΔV i (4)

Onde a velocidade total de geração no interior do volume do sistema é a soma de todas as velocidades de geração em cada um dos subvolumes. Sendo o volume total do sistema dividido em M subvolumes. E definindo os limites apropriados (M→∞ e ΔV→0) e usando a definição de integral,reescreve-se a equação assim:

G j=∫❑

V

r jdV (5)

Pela equação 5 é possível ver que rj será uma função indireta da posição,pois as propriedades dos reagentes e as condições reacionais podem ter valores diferentes nas diferentes localizações do reator.Substituindo a equação 5 na 1, temos:

F j0−F j+∫❑

V

r jdV=dN j

dt(6)

Resultando na forma da equação geral do balanço molar para qualquer espécie química j que está entrando,saindo,reagindo e/ou acumulando no interior do volume do sistema V. E a partir dessa equação podemos desenvolver as equações de projeto para varios tipos de reatores industriais.

Tipos de Reatores:

Reator em batelada (ou descontínuo) – É o tipo de reator usado em operações em pequenas escalas, geralmente para testar novos processos que não foram desenvolvidos por completo, na fabricação de produtos de custo elevado e para processos que apresentam dificuldades em serem convertidos em operações contínuas. Esse reator pode ser alimentado por via dos orifícios presentes em seu topo (Figura 2). A vantagem do reator em batelada são as altas conversões alcançadas quando o reagente é deixado no reator por um maior período de tempo. Entretanto, como desvantagens têm-se os altos custos de operação, variabilidade dos produtos de uma batelada a outra e dificuldade de produção em larga escala.

Figura 2- Reator homogêneo em batelada simples

No reator descontinuo não ocorrem entrada nem saída dos reagentes ou produtos no decorrer da reação, logo: Fj0= Fj= 0. Resultando no seguinte balanço geral molar para a espécie j:

dN j

dt=∫

❑

v

r jdV (7)

Não ocorrerá variação na velocidade de reação 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 balanço molar será:

dN j

dt=r jV (8)

Considerando a isomerização da espécie A em reator batelada do tipo A→B, à medida que a reação acontece o número de mols de A diminui e o número de mols de B aumenta. Esse fenômeno pode ser observado abaixo:

Figura 3 – Trajetórias mol – tempo.

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

dN j

dt=r AV (9)

Rearranjando,

d t=dN A

r AV(10)

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

t l=∫NAl

N A 0 dN A

−r AV(11)

A forma integral do balanço molar em um reator em bateladaé dada pela equação 12, que fornece o tempo, tl, necessário para reduzir o numero de mols de NA0paraNAJe para formar NBl mols de B.

Reator Contínuo de Tanque Agitado (CSTR ou reator de retromistura)- É um tanque agitado operado continuamente que geralmente é usado em processamento industrial e principalmente para reações em fase líquida. O CSTR é normalmente operado em estado estacionário e sendo considerado um reator de mistura perfeita, logo, a temperatura, concentração ou a velocidade de reação em seu interior não dependem da posição ou do tempo. Isto é, em qualquer ponto no interior do reator cada variável será a mesma. Sendo assim, a temperatura e a concentração são modeladas como iguais na corrente de saída como em qualquer ponto do reator.

Figura 4 – Reator CSTR

A equação geral de balanço molar aplicada a um CSTR quando operado em estado estacionário é:

F j0−F j+∫❑

V

r jdV=dN j

dt(12)

Onde não há variações espaciais na velocidade de reação, ou seja, mistura perfeita,

∫❑

V

r jdV=V r j (13)

Adquirindo a forma da equação de projeto para um CSTR:

V=F j0−F j

−r j(14)

Esta equação fornece o volume V do reator que é necessário para reduzir a vazão da espécie j que entra de Fj0 para a vazão de saída Fj, quando a espécie j desaparece a uma velocidade de - rj. Esse modelo mostra que a vazão molar F jé o produto da concentração da espécie j e a vazão volumétrica v:

F j=C j . v (15)

Relacionando as equações 15 e 16, pode-se escrever um balanço para a espécie A como:

V=v0C A0−vC A

−r A(16)

Reator tubular (PFR) – Esse reator consiste em um tubo cilíndrico e é normalmente operado em estado estacionário, sendo esse reator mais utilizado para reações em fases gasosas. Nele, os reagentes são continuamente consumidos à medida que eles escoam ao longo do reator. Nesse modelo é suposto que a concentração varie continuamente na direção axial através do reator. Logo a velocidade da reação que é uma função da concentração para todas as reações (com exceção das de ordem zero) também variará axialmente. Considerando que o campo de escoamento será modelado por um perfil de escoamento empistonado, ou seja, não há variação radial na velocidade de reação.

Figura 5 – Reator PFR

Para projetar PFRs no estado estacionário, o volume diferencial ΔV, será escolhido bem pequeno, tal que não haja variações na velocidade de reação no interior desse volume. Dessa forma, o termo de geração, ΔGj, é:

ΔG j=∫❑

ΔV

r jdV=r jΔV (17)

Figura 6: Balanço molar para um reator PFR

Dividindo por ΔV e rearranjando, temos:

[ F j∨ v+Δv−F j∨ vΔV ]=r j (18)

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

Quando o limite quando ΔV tende a zero, encontra-se a forma diferencial do balanço molar em estado estacionário para um PFR:

dF jdV

=r j (19)

Considerando a isomerização A→B em um PFR. À medida que os reagentes escoam pelo reator, A é consumido por reação química e B é produzido. Logo, a velocidade molar de escoamento de B aumenta e a de A diminui, como aparece na figura abaixo:

Figura 7 – Perfis de vazões molares de um PFR

Para a espécie A, o balanço molar de forma rearranjada é:

dF ArA

=dV (20)

Integrando com os limites em V = 0, então FA = FA0, e em V = Vl, então FA = FAl:

V l=∫F A0

F Al dF ArA

=∫F Al

F A0 dFA−r A

(21)

Vlé o volume necessário para reduzir a vazão molar de entrada, FA0, para algum valor específico, FAl, e também o volume necessário para produzir uma vazão molar de B igual a FBl.

Conceitos importantes

Conversão

Para definir conversão, primeiramente é escolhido um dos reagentes como base de calculo, em seguida relaciona-se a essa base as outras espécies presentes na reação. Considerando a reação geral:

E tomando como base de calculo a espécie A, divide-se a expressão da reação pelo coeficiente estequiométrico da espécie A para que cada grandeza seja expressa em base por mol de A:

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

X A=N A0−N A

N A0

(22)

Para reações que são irreversíveis a conversão máxima obtida é 1, já para reações reversíveis a conversão máxima é a conversão de equilíbrio. Na tabela abaixo é apresentado um resumo das formas diferenciais, algébricas e integrais para diferentes tipos de reatores.

Tabela 1- Termos de conversão para os tipos de reatores

Tempo espacial

Define-se tempo espacial ou tempo de residência media pelo tempo necessário para processar um volume de fluido no reator baseando-se nas condições de entrada. Para se obter o tempo espacial τ, divide-se o volume do reator pela vazão volumétrica de entrada no reator:

τ=Vv0

(23)

Na tabela abaixo é possível encontrar uma faixa de tempos típicos de processamento em termos de tempo espacial para reatores industriais.

Tabela 2 – Tempos espaciais típicos para reatores industriais

Velocidade espacial

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

s=1τ

Entretanto para o tempo espacial, a vazão volumétrica de entrada é medida nas condições de entrada e para a velocidade espacial utilizam outras condições (FOGLER, 2009).

2 . OBJETIVOS

2.2. Objetivo Geral

Estudar a cinética de reação entre o Acetato de Etila (CH3COOC2H5) e o

hidróxido de sódio (reação de saponificação).

2.3. Objetivos específicos

Determinação da Velocidade de uma Reação Química (Ordem e Constante de

Velocidade).

Determinação da Energia de Ativação da Reação.

Análise da Influência da Temperatura na Velocidade da Reação.

Estudar um CSTR e um PFR

3. MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 EQUIPAMENTOS E MATERIAIS

Os equipamentos e materiais utilizados durante o experimento foram:

Fenolftaleína

Béqueres

Pipetas Volumétricas

Erlenmeyers

Buretas

Suporte e garra

Bastão de Vidro

Recipiente de Gelo

Cronometro

Módulo didático 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

três seções retas de 50 mm cada, um painel de controle, um controlador de vazão e um

aquecedor, além de três tanques de armazenamento.

3.1.2. REAGENTES

Os reagentes utilizados durante o experimento forama solução de Acetato de Etila (0,02

M), Ácido Clorídrico (0,02M) e Hidróxido de Sódio (0,02M).

3.2 METODOLOGIA

O experimento foi divido em duas partes.

A parte 1 ou cinética realizada num reator batelada e a parte 2, em fluxo contínuo.

Procedimento Experimental, parte 1:

Fez-se a parte cinética do experimento em duas temperaturas diferentes, 22ºC

(temperatura ambiente) e 7ºC.

Iniciou-se o procedimento para a temperatura de 22ºC, pipetando-se 25mL da solução

de HCl em 7 erlenmeyers de 125mL e adicionou-se 3 gotas de fenolftaleína em cada um

deles.

Em um béquer de 600mL misturou-se 250mL de NaOH e Acetato de Etila. Assim que

iniciou-se a reação, cronometrou-se o tempo. Um bastão de vidro foi usado para manter

agitação constante.

Com o auxílio de uma pipeta graduada retirou-se amostras 25mL do bequer de reação

transferindo-as para os erlenmeyers que continham 30mL de HCl, de forma rápida. A

retirada dessas amostras ocorreu aos 2, 5,10,20,30,40 e 50 minutos.

Nenhuma amostra se apresentou rósea, logo o descarte não foi necessário.

Titulou-se oexcedente dos erlenmeyers com a solução de NaOH usando-se a

fenolftaleína como indicador ácido-base.

Para a temperatura de 7ºC, 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 solução de HCl em 3 erlenmeyers de 125mL e adiciou-se 3 gotas

de fenolftaleína.

Adicionou-se 5L de solução de Acetato de Etila no tanque 1 e 5L de solução de NaOH

no tanque 2 do módulo didático de reatores.

Acionaram-se as bombas de alimentação dos reagentes de forma simultaneamente, no

primeiro momento para o reator CSTR. Regularam-se as vazões 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 alíquota de 25 mL transferindo-a

para o erlenmeyer contendo HCl.

Então fechou-se a válvula do CSTR e abriu-se a válvula do reator PFR.

Após 5 minutos retirou-se uma alíquota de 25mL da válvula 2 e uma da válvula 1

adicionando-as aos erlenmeyers contendo HCl.

Titulou-se o ácido excedente nos erlenmeyers com a solução de NaOH usando a

fenolftaleína como indicador.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1.1 Hidrólise Básica dos Ésteres

A rota de reação da hidrólise básica dos ésteres é a seguinte:

Figura 8: Rota da hidrólise básica dos ésteres.

Conhecida também como saponificação pode-se produzir um álcool e o sal de sódio do ácido, refluxando um éster com hidróxido de sódio aquoso.

De acordo com o mecanismo apresentado a seguir, a reação se mostra essencialmente irreversível, quando promovida por base, pois o íon carboxilato carregado negativamente é pouco reativo para um mecanismo com substituição nucleofílica.

Figura 9: Mecanismo da hidrólise básica dos ésteres.

4.1.2 Expressão da taxa

A equação: 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐶2𝐻5+𝑁𝑎𝑂𝐻→𝐶𝐻3COONa+ 𝐶𝐻3𝐶𝐻2𝑂𝐻 (4.1)

escrita na forma genérica como: 𝑎𝐴+𝑏𝐵 →𝑐𝐶+𝑑𝐷 (4.2)

É a reação química de hidrólise do acetato de etila pelo hidróxido de sódio em fase líquida.

Para determinar a velocidade com que certo reagente é consumido precisa-se saber sua concentração e a temperatura do meio reacional. Usando equação genérica (4.2) para facilitaro entendimento e considerando a mesma sem variação de volume, e irreversível, pode-se expressar esta velocidade pela equação abaixo:

−𝑟𝐴[𝑚𝑜𝑙A 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜∗𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒]=𝑘C Aa CB

b(4.3)

Sendo:

rA a taxa de reação. Quando acompanhado de sinal negativo considerasse-seque o reagente A está sendo consumido;k = constante da velocidade;a = coeficiente estequiométrico de A ;CA = concentração do acetato de etila (mol/L); CB = concentração do hidróxido de sódio (mol/L); b = coeficiente estequiométrico de B.

Usando o balanço de massa, a equação de projeto de um reator batelada e fazendo-se a considerações necessárias, tais como: não há entrada e nem saída durante a reação e que o volume é constante, obtém-se:

dC A

dt= 𝑟𝐴(4.4)

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

- dC A

dt = 𝑘C Aa CB

b(4.5)

Tratando a relação de CB, considerando a reação como isotérmica e desprezando-se o fator de compressibilidade, tem-se:

CB= CB0−(ba)X A= C A0(CB0

CA0− (ba)X A)(4.6)

Considerando-se também que as concentrações iniciais dos reagentes são iguais e que a = b = 1, tem-se:

CB= C A0(1−X A)=C A(4.7)

Assim, a taxa da reação química de hidrólise do acetato de etila pelo hidróxido de sódio em fase líquida pode ser descrita por:- dC A

dt =𝑘C An(4.8)

Onde n = a+b, tornando assim razoável a consideração que a reação é de 2º ordem.

5.CONCLUSÃO

6.SUGESTÃO PARA CONTINUÇÃO DO TRABALHO

7.REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

SOLOMONS, T. W. Graham; Fryhle, Craig B. Química Orgânica, vol. 2. 9 ed. LTC, 2009

Rota de síntese disponível em: <https://knowledgeispowerquiumento.files.wordpress.com/2011/06/hidrolise1.jpg> Acesso em: 13 de Abril de 2015

FOGLER, H. S. Elementos de Engenharia das Reações Quimicas, 4ª Ed. LTC, 2009

8. APÊNDICE