UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REIEngenharia Química

Laboratório de Engenharia Química III

Diluição de Solução de Sacarose em Regime Transiente

Cláudio Lopes, Eduardo Bonetti, Kellen da Silva dos Santos, Michelle Layra Cunha Rezende1, Ricardo Coelho, Richard Santiago, Tomaz Aprígio

*michelle.layra@gmail.com richardsax33@gmail.com

Resumo

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Introdução

Soluções são misturas homogêneas porque nelas ocorre ligação a nível molecular ou atômico entre as substâncias envolvidas, não apresentando fases diferentes como as misturas heterogêneas. Suas propriedades físicas e químicas podem não estar relacionadas com aquelas das substâncias originais, diferentemente das propriedades de misturas heterogêneas que são combinações das propriedades das substâncias individuais. As soluções incluem diversas combinações em que um sólido, um líquido ou um gás atua como dissolvente (solvente) ou soluto (1)

A dissolução é um fenômeno que ocorre em escala atômica, envolvendo as forças de ligação do soluto, as forças entre as moléculas do solvente e as forças de interação entre o soluto e o solvente. Ou seja, quando um soluto é adicionado a um solvente, se a interação entre o soluto e o solvente for mais intensa do que as forças de ligação do soluto e do que as interações intermoleculares do solvente ocorre a dissolução do soluto no solvente. Para cada conjunto de condições existe uma quantidade limite de uma dada substância que se consegue dissolver num determinado solvente, e que se designa por solubilidade dessa substância nesse solvente (2).

Grande parte das operações de processamento, entre elas as diluições, depende da eficiência da agitação e mistura dos fluidos, onde a agitação é o movimento de indução de um material de um modo específico, usualmente em um padrão circulatório dentro de um recipiente. A eficiência da agitação e/ou mistura de determinada solução depende diretamente das propriedades dos seus componentes, como viscosidade, massa específica, tamanho, etc., pois estas influenciam na forma da mistura e no tipo de agitador (3).

Através das propriedades e características do fluido a ser agitado, do tipo de rotor, dimensão do tanque, dos inibidores de vórtices e do agitador, o fluxo assumirá um movimento característico que determinará o resultado final. final. (4).

A agitação mecânica constitui um excelente exemplo onde o escoamento de fluidos favorece a homogeneização, suspensão de sólidos, dispersão gás-líquido e aeração. Ela ocorre frequentemente em simultâneo com transferência de massa, reacções químicas e transferência de calor. Chicanas são frequentimente colocadas no tanque de agitação para quebra do vórtice e melhor troca de calor pelo aumento da turbulência (3).

As diferentes escalas usadas pelos densímetros podem dar a leitura direta da densidade ou graus de uma escala arbitraria como a escala Brix. Os graus Brix referem-se a porcentagem em peso de sacarose em solução à 20°C. (5)

Experimental

Aparato Experimental.Para o estudo da variação da concentração de um

soluto em função do tempo na saída de um tanque em operação de diluição, com as vazões de entrada e saída fixas, utilizaram-se o equipamento esquematizado na Figura 1.

Figura 1. Esquema do equipamento para estudo do regime transiente. 1) entrada de água no sistema; 2) válvula globo na entrada; 3) válvula esfera da entrada; 4) rotâmetro; 5) entrada da água no tanque; 6) eixo do impulsor; 7) nível da solução; 8) tanque da solução; 9) impulsor mecânico; 10) chicanas; 11) válvula de esfera da saída da solução; 12) válvula globo da saía da solução; 13) saída da solução (MORAES JÚNIOR et al., 2012)(6)

Utilizaram-se também para a realização do estudo: um refratômetro, uma balança, um béquer, 600 gramas de açúcar cristalizado e um cronômetro.

Procedimento Experimental.Primeiramente, foi feito o ajuste do sistema com a

finalidade de se manter o nível do tanque constante. Para tal, as válvulas esfera e globo foram completamente abertas para preenchimento do tanque. Em seguida, ajustou-se a abertura das válvulas globo, posicionadas na entrada e saída do sistema, até obtenção de uma vazão constante (0,36 L/min), mantendo-se o nível de água no tanque na marcação de 9 litros. Em seguida, as válvulas esfera foram completamente fechadas.

Com auxílio da balança, pesou-se uma massa 600,00g de açúcar cristalizado comercial, a qual foi transferida para o tanque previamente preenchido com aproximadamente 9,0 litros de água. Em seguida, acionou-se o sistema de agitação do tanque. Após observação visual da homogeneidade da solução, iniciou-

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se a tomada de amostras na saída do tanque por um período suficiente para se obter 8 (oito) amostragens a cada 3 (três) minutos. Para cada uma dessas amostras coletadas de solução diluída, foi realizada a leitura no refratômetro.

Resultados e Discussão

Para obter a curva de concentração do soluto em função do tempo na saída de um tanque, com impulsor mecânico, para diluição em regime transiente, foi necessário desenvolver o modelo a partir do balanço de massa.

Figura 2. Volume de controle para o tanque de diluição

O balanço de massa diferencial para o sistema é dado por:

dMdt

=M entra−M sai+M gerada−M consumida

Considerando o tanque de agitação possuindo apenas uma entrada e uma saída:

dMdt

=M entra−M sai

Sabendo-se que a massa é igual à massa específica multiplicada pelo volume aplicou-se a regra da cadeia. Considerou-se também as propriedades físicas do fluido constantes:

ρdVdt

+Vdρdt

=ρentra Fentra−ρsai F sai

Considerando-se a corrente de entrada constituída de solvente puro, a concentração volumétrica na entrada pode ser desprezada. Considerou-se também que o volume do tanque é mantido constante, sua variação pode ser desprezada:

Vdρdt

=−ρsai F sai

Rearranjando obteve-se:

Vdρρsai

=−F sai dt

Integrou-se de ρ0 a ρ e de 0 a t:

V ln ( ρ−ρ0 )=¿−F sai (t−0)¿

Rearranjando:

lnρρ0

=−F sai t

V

Isolando-se o termo concentração volumétrica

obtem-se o perfil de concentração do soluto em função do

tempo na saída do tanque, com impulsor mecânico, para

diluição em regime transiente:

ρ=ρ0 e−F sait

V

Sabendo-se que o volume do tanque foi mantido constante em 9 L e que foram adicionados 600 g de açúcar, a concentração volumétrica inicial foi de 66,67 g/L. A vazão volumétrica foi mantida constante em 3,6 L/min e as concentrações foram medidas a cada 3 minutos. As concentrações teóricas obtidas juntamente com as concentrações experimentais medidas no refratômetro em °Brix e convertidas em g/L através da Tabela em Anexo estão apresentadas na Tabela 1:

Tabela 1. Concentração de soluto teórica e experimental e desvio

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Tempo (min)

Concentração teórica (g/L)

Concentração experimental

Desvio entre experimental e

teórico (%)° Brix g/L

00:00.0 67.22 6.1 67.22 0.00

03:00.0 59.63 5 55.00 -8.41

06:00.0 52.88 4.1 45.36 -16.59

09:00.0 46.89 3.8 42.14 -11.27

12:00.0 41.56 3.2 35.71 -16.38

15:00.0 36.89 2.9 32.50 -13.52

18:00.0 32.71 2.7 30.36 -7.74

21:00.0 29.01 2.3 26.07 -11.29

24:00.0 25.73 2.2 25.00 -2.93

Houve desvios em média de alteração abaixo dos valores esperados teoricamente, porém o desvio segue a curva experimental apresentando um comportamento de uma equação exponencial. Fatores de erro que podem ter alterados os dados experimentais foram a dificuldade de controlar o a vazão do reator, a leitura do refratômetro e tempo de retirada da amostra.

O perfil obtido para as concentrações teóricas e experimentais é apresentado na Figura 2. O gráfico mostra que a curva experimental segue um comportamento exponencial com desvios abaixo da curva experimental. A equação teórica mostrou-se adequada para descrever o comportamento de diluição de uma mistura usando CSTR em regime transiente.

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.00.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

TeóricoExperimental

Tempo (min)

Conc

entr

ação

(g/L

)

Figura 1: Perfil de concentraçãodo soluto em função do tempo na saída do tanque, com impulsor mecânico, para diluição em regime transiente experimental e teórico

Conclusões

No experimento foi possível visualizar o que se esperava que ocorresse a diminuição da concentração da solução ao longo do tempo em que ocorria a diluição. No entanto alguns erros humanos estiveram presentes na realização do experimento. O momento importante da pratica é o controle do volume do tanque, onde um bom ajuste proporciona um erro menor no resultados, outro fato importante de se considerar são a leituras realizadas no refratômetro, pois é difícil a visualização exata do resultado agregando dessa forma erros de execução. Sendo assim pequenos desvios dos resultados teóricos foram encontrados mas de uma forma geral o experimento foi satisfatório.

Referências

1. RUSSELL, J. B. Química Geral. M. Brooks, Ed.; São Paulo, 1994; Vol. 2, 1-95.

2. ATKINS, P; JONES, L. Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente. Bookman, Ed.; Porto Alegre, 2007; 1-95.

3. MCCABE, S. H. Unit Operations of Chemical Engineering. 5 ed. 1992; 1-95.

4. CREMASCO, M. A.; Fundamentos de Transferência de Massa. Campinas: UNICAMP, 2008; 1-95.

5. ZENEBON, O; PASCUE, N. S.; TIGLEA, Paulo. Métodos Físico-Químicos para Análise de Alimentos. Núcleo de Informação e Tecnologia (NIT) / Instituto Adolfo Lutz (IAL), Ed.; São Paulo, 2008; 97.

6. MORAES JÚNIOR, D. et al. Diluição de Soluções em Regime Transiente. Universidade de Santa Cecília. 2012.

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