Relatório Reatores Quimicos

Relatório Reatores Quimicos

(Parte 1 de 2)

RELATÓRIO LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUIMICA 2 REATORES

Sérgio Barbosa dos Santos

Athus Costa Teles

Valdene Alves Barroso Eliane Aparecida Barroso

Professora: Sandra Matias Damasceno

Diamantina Maio/2016

1. INTRODUÇÃO

Quando se fala em reação química, tem que levar em consideração tanto a espontaneidade da mesma quanto a rapidez que ela ocorre, seriam respectivamente o estudo termodinâmico e o estudo cinético da reação. Estes parâmetros podem ser obtidos experimentalmente. Não existe uma velocidade fixa, ou seja, uma velocidade padrão para todas as reações químicas, cada uma acontece com suas características e velocidades únicas.

A velocidade da reação é definida por um produto de uma constante dependente da temperatura pela concentração dos reagentes. Definindo esta equação é possível determinar a ordem de uma reação, fator importante que foi analisado neste experimento. A ordem global de uma reação é a soma dos expoentes dos termos de concentração da equação de velocidade. É importante a obtenção desses valores através de experimentos, uma vez que as reações presentes na natureza apresentam ordens globais que podem ser inteiras, fracionadas ou nulas. .(FOGLER, 2009).

Logo, o objetivo deste trabalho é determinar através de analises nos reatores batelada,

CSTR e PFR a ordem, a velocidade de uma reação química, a energia de ativação e como a temperatura vai influenciar nessa velocidade, evidenciando o seu comportamento nos diferentes reatores. Analisando também a conversão da reação utilizando um reator em batelada, um CSTR e um PFR, para que possa comparar os reatores no final do processo.

2. OBJETIVOS

Determinação da velocidade de uma reação química (ordem e constante de velocidade)

Determinação da energia de ativação da reação

Analise da influência da temperatura na velocidade de reação

Estudar um CSTR e um PFR

3. REFERENCIAL TEÓRICO 3.1 REAÇÕES QUÍMICAS

Conforme foi citado anteriormente, é necessário que as moléculas de reagentes tenham uma energia mínima, denominada energia de ativação. As reações podem ser endotérmicas ou exotérmicas, sendo que nas exotérmicas, os produtos formados tem um estado de energia menor do que nos reagentes, portanto a diferença entre a energia dos reagentes e a energia para ativar a reação é conhecida como energia de ativação. Será demonstrado na figura 1 o que foi descrito. (CARVALHO, 2002).

Figura 1: Perfil de energia para uma reação exotérmica. (Fogaça, 2010) Utilizando a equação de Arrhenius para determinar a energia de ativação:

Ondeé o fator de frequência, é a energia de ativação, R a constante universal dos gases e T a

temperatura medida em escala absoluta.

A reação que será analisada neste relatório será entre o Acetato de Etila e o hidróxido de sódio.

3.2 REATORES QUÍMICOS

Os equipamentos projetados para ocorrer reações químicas, transferência de massa e calor, além de proporcionar que a reação aconteça por fornecer condições adequadas, são chamados de reatores químicos. Os utilizados nessa prática foram: Reator tubular e Tanques agitados. Eles podem ser encontrados com diferentes tamanhos, como um laboratorial e um em escala industrial.

(FABREGA, F. M. 2012).

Quando existe a necessidade de se projetar um reator para determinado processo químico, é necessário levar em consideração o reator que:

Se encaixe melhor nas condições de operação

Possibilite uma maior conversão dos reagentes

Proporcione um maior rendimento com menor custo; Se há necessidade de utilizar catalisadores ou não;

Gere Lucro.

3.2.1 REATOR BATELADA:

É um tipo de reator tanque com agitação mecânica que se caracteriza por não permitir a entrada nem a saída de reagentes ou produtos durante o processamento da reação. Eles são misturados e, após algum tempo, os produtos originados da conversão dos reagentes são descarregados de uma vez. Nesse tipo de reator, as variáveis como temperatura e concentração não variam com a posição dentro do reator, mas variam com o tempo. Sua alimentação é feita através de aberturas na parte superior. A figura 2 representa o reator.

Figura 2: Reator Batelada

3.2.2 REATOR CSTR

É um reator do tipo tanque agitado, se caracteriza por possuir correntes de entrada e saída respectivamente, de forma constante. Tem em sua estrutura um agitador e um sistema de aquecimento ou resfriamento assim como no reator batelada. Devido à presença de agitadores, pode-se fazer a consideração que o sistema é homogêneo e que seja considerada perfeita a mistura. Este tipo de reator possibilita uma facilidade no controle de temperatura por ser considerada uma mistura perfeita e não possuir variações de concentração no seu interior. Este equipamento pode ser usado sozinho ou em sequencia de outros tipos de reatores, tanto em série como em paralelo. A figura 3 representa o esquema deste reator.

Figura 3: Reator CSTR

Abaixo será demonstrada a equação de projeto com sua dedução para um reator CSTR com fluido reacional em fase líquida.

Hipóteses: Agitação Perfeita.

Concentração das espécies químicas é a mesma em todos os pontos do reator num dado instante.

Balanço de Massa:

Entra – Sai – Consumo = Acúmulo Base de Cálculo: 1 mol do reagente limitante A

Entra – Sai – Consumo = Acúmulo

Entra = Sai + Consumo Tendo em mente o balanço de massa, têm-se:

3.2.3 REATOR PFR

Este tipo de reator também pode ser chamado de escoamento pistonado, reator tubular ideal e reator com escoamento sem mistura. Caracteriza-se por ser um tubo vazio por onde passa os reagentes, no decorrer desta passagem, acontece à reação. Pode ser encontrado tanto na forma de um tubo longo quanto na mais comum, vários reatores menores em feixes de tubos. Geralmente é utilizado em reações gasosas além de apresentar uma manutenção relativamente fácil. Um exemplo deste tipo de reator é visto na figura 4. (FABREGA, F. M. 2012).

Figura 4: Reator PFR Abaixo será demonstrada sua dedução e sua equação de projeto.

[( )] ( )

Sendo: ( ), e substituindo na equação anterior:

Logo, a equação de projeto é: ∫

4 MATERIAIS E MÉTODOS

4.1 Equipamentos:

Módulo composto pelos reatores ideais: CSTR e PFR. As especificações deste módulo são:

Corrente máxima: 10 A; Potência: 2 kW;

Tensão elétrica: Monofásica 220 V;

Reator CSTR de 1,5 L, com 150mm de altura e 110mm de diâmetro.

Reator PFR de 1500mm de comprimento, sendo 3 seções de 50mm com diâmetro de 30mm. Possibilidade de retirada de alíquotas a cada 500mm;

Possui 3 tanques, 2 de alimentação e um para receber o produto.

Figura 5: Módulo composto pelos reatores ideais: CSTR e PFR. 4.2 Materiais

Pipetas volumétricas Pera pipetadora

Proveta de 250ml;

Béquer 600ml;

Erlenmeyers;

Cronômetro

Bastão de Vidro;

Bureta;

Gelo;

Termômetro;

Solução de HCl 0,02M

Solução de NaOH 0,02M

Solução de Acetato de etila 0,02M;

 Fenolftaleína

4.3 Metodologia

Iniciaram-se os procedimentos preparando e padronizando as soluções. O procedimento foi particionado sendo o primeiro realizado em um reator em batelada e a segunda parte em reatores contínuos.

Reator Batelada:

Após a preparação das soluções, separaram-se oito erlenmeyers numerados. Foi adicionado em cada, 30 ml da solução de HCl 0,02M e 3 gotas do indicador fenolftaleína.

Em seguida, com a utilização de provetas de 250 ml dos reagentes: NaOH 0,02 M e

Acetato de etila 0,02M, foram misturados em um béquer de 600 ml ao mesmo tempo marcando, com o auxilio de um cronometro, o inicio da reação. Mantendo a agitação aproximadamente constante e com o auxilio do mesmo cronometro fez-se a retirada de amostras nos tempos de 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50 e 60 minutos após o início da reação.

As amostras foram retiradas com uma pipeta de 25 ml passando rapidamente para o erlenmeyer que continha HCL e o indicador na temperatura ambiente. Os oito erlenmeyers, já contendo as amostras nos tempos determinados, foram levados para a titulação com NaOH 0,02M. Feito isto, anotaram-se os valores de NaOH necessários para a viragem da solução.

O mesmo experimento foi realizado novamente, contudo a reação foi feita na temperatura de 12 ºC. Para alcançar esta temperatura, os reagentes foram colocados em uma vasilha contendo gelo até atingir a temperatura desejada, que em determinados momentos foi retirado e colocado para manter esta temperatura variando em no máximo 1 ºC. O experimento foi prosseguido de forma igual ao citado anteriormente.

Reatores de fluxo contínuo:

Separou-se três erlenmeyers que em cada um deles foram colocados 30 ml da solução de HCl 0,02M e 3 gotas do indicador fenolftaleína. Utilizando o módulo dos reatores contínuos citado anteriormente, foram colocados 5L de solução de Acetato de etila 0,02M no CSTR e 5L de NaOH 0,02M no PFR. Utilizando apenas o reator CSTR e fechando a válvula de alimentação do PFR, alimentou-se aquele com uma vazão de 0,2 L/min. Essa vazão varia enquanto acontece o preenchimento do reator, sendo necessário controlar constantemente a mesma para que não se altere. Quando o reator CSTR foi totalmente preenchido, com o auxilio de um cronometro, foram marcados 5 minutos. Após este tempo, retirou-se uma amostra através de uma pipeta de 25 ml que foi despejada em um dos erlenmeyer, sendo o mesmo levado para ser titulado com uma solução de NaOH 0,02M.

Para capturar a amostra no PFR, fechou-se a válvula que alimenta o CSTR e, em seguida, foi aberta a válvula que alimenta o PFR. Conforme foi feito anteriormente, após passados os 5 minutos, duas amostras foram retiradas ao mesmo tempo mas em posições diferentes do reator sendo conduzidas imediatamente para os erlenmeyers através de uma pipeta de 25 ml que logo em seguida, foram tituladas usando NaOH 0,02M.

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES A reação utilizada para a realização do experimento foi:

Algumas considerações foram necessárias para a realização dos cálculos, sendo estas: mistura perfeita, não existência de reações paralelas e que foi feita a correção das concentrações das soluções padrões que serão demonstradas a seguir.

5.1 Reator batelada

As concentrações encontradas através da titulação serão descritas nas tabelas 1 e 2 para as reações feitas a 21 ºC e 12 ºC.

Tabela 1 – Dados obtidos para reação ocorrendo a 21ºC. Amostra VNaOH utilizado (ml) Tempo (min)

Tabela 2 - Dados obtidos para reação ocorrendo a 12ºC. Amostra VNaOH utilizado (ml) Tempo (min)

CH3COO- e H+. Para neutralizar a acidez da solução, foi necessário usar os ionsque

Ao final desta reação, dentro do erlenmeyer, conterá apenas os íons Cl-, Na+, continham no meio mais certo volume que foi liberado pela titulação, portanto pode-se concluir que:

Sabendo que a estequiometria da reação é 1:1, tem-se que:

Sabendo que, substituindo na equação anterior, obtém-se:

Sendo assim:

Jogando no excel, consegue-se estimar a concentração do acetado para as 2 temperaturas representando a mesma na tabela 3 a seguir.

Tabela 3 – Concentração de acetato nas duas temperaturas Amostra CA (mol/L) a 21ºC CA (mol/L) a 12ºC

5.2 Velocidade de reação e ordem de reação

A velocidade a qual uma dada reação química ocorre pode ser expressa de várias maneiras.

Para um reator batelada tem-se que:

Como o volume é considerado constante para este tipo de reator, o volume pode entrar na derivada:

Sendo⁄= , tenho:

A partir do mecanismo de reação apresentado, a expressão da taxa da reação é dada por:

Sendo que A e B são equimolares, pode-se reescrever a equação desta forma:

temoslogo, para a reação estudada temos os seguintes valores teóricos:

A partir da expressão da taxa de reação é possível perceber que como genericamente

Aplicando o método das diferenças finitas para verificar se o experimento segue o que foi descrito, foi necessário pegar intervalos de tempo igualmente espaçados, sendo assim, as duas amostras iniciais tiveram que ser descartadas. Para utilização do método, as seguintes equações foram utilizadas.

Pontos do meio: ( )

( ( )( ) )

Tabela 4 – Dados encontrados pelo método das diferenças finitas (21ºC). Concentração (mol/L) dCa/dt ln(-dCa/dt) ln(Ca)

Metodo das diferenças finitas

Figura 6 – Gráfico método das diferenças finitas na temperatura 21ºC.

Analise para a reação ocorrendo a 12 ºC:

Tabela 5 - Dados encontrados pelo método das diferenças finitas (12ºC). Concentração (mol/L) dCa/dt ln(-dCa/dt) ln(Ca)

Metodo das diferenças finitas

Figura 7 – Gráfico método das diferenças finitas na temperatura 12ºC.

Analisando os gráficos das figuras 6 e 7, é perceptível que o método não é bem aplicado nesse tipo de experimento, uma vez que os dados apresentaram (R²) não muito satisfatórios e a ordem de reação encontrada com as inclinações dos gráficos não corresponderam a teórica que é 2. Logo, é necessário utilizar outro método para encontrar a ordem global de reação que é o método integral. Assim:

Nas tabelas a seguir, os dados montados para o método da integral.

Tabela 6 – Dados encontrados pelo método da integral (21ºC) Concentração (mol/L) Tempo (s) 1/Ca - 1/Ca0

Tabela 7 - Dados encontrados pelo método da integral (12ºC).

Metodo Integral

Figura 8 – Gráfico pelo método da integral na temperatura 21ºC. Metodo Integral

Figura 9 - Gráfico pelo método da integral na temperatura 12ºC

Percebe-se que os gráficos do método da integral não se ajustaram perfeitamente aos dados.

Porém se for comparado com o método da derivada ele se ajustou melhor, então os dados aqui serão utilizados para encontrar o k da reação.

A equação da reta encontrada para 21ºC e 12ºC é respectivamente:

e

Por definição, o valor de k é a inclinação da reta, assim teremos:

Discutindo os valores de k, é perceptível que apresentam valores diferentes para cada temperatura, isso se deve ao fato de que quando se eleva a temperatura de uma reação a sua velocidade aumenta, pois há um aumento da energia cinética aumentando os choques efetivos e consequentemente produzir mais produtos.

5.3 ENERGIA DE ATIVAÇÃO

A partir da equação de Arrhenius:

Como a constante de velocidade foi medida em diferentes temperaturas é possível encontrar o valor da energia de ativação.

Linearizando a equação:

Substituindo estes valores em Arrhenius, têm-se .

5.4 Conversão do Acetado (Batelada)

e final, como na tabela 3 tem-se que:0,0048791 e 0,007700624 para as

Para calcular a conversão do acetato num reator batelada, usa-se a concentração inicial temperaturas de para 21°C e 12°C.

()
()

Através dos valores, percebe-se que o comportamento é como o esperado. A reação de maior temperatura possui maior taxa de conversão, pois sua velocidade de reação é maior. Plotando o gráfico para evidenciar esse valor.

Figura 10 – Gráfico conversão versus tempo para as duas temperaturas

5.4 REATOR PFR

A quantidade de hidróxido de sódio utilizado na titulação das alíquotas nos pontos do reator PFR e os tempos serão mostrados na tabela a seguir.

Tabela 8 - Dados experimentais obtidos para o reator PFR Pontos Volume de NaOH (ml) Tempo (min)

Tendo a concentração inicial como 0,02 mol/L, calculou-se a concentração e a conversão exigida da seguinte forma:

Para o Volume de 15,1 de NaOH

Para calcular a conversão:

Para o Volume de 15,7 ml de NaOH:

Tabela 9 - Concentração e Conversão do Acetato de Etila Pontos Concentração de

Acetato (mol/L)

Conversão de Acetato X

Entrada (1)
Saída (2)

Os valores têm resultados físicos satisfatórios, pois a conversão na saída de um PFR tem que ser maior do que a conversão em um ponto mais próximo da entrada.

5.5 Calculo dos Volumes Teóricos e Reais e do Tempo médio de residência

Para calcular os volumes teóricos do PRF, foi utilizada a equação de projeto do PFR: Considerando que a equação é de segunda ordem temos:

Cálculo do volume teórico do PFR Para Entrada (1) com Cacetato = 0,01192 mol/L:

[⁄]

Para a Saída (2) com CAcetato = 0,01144 :

[⁄]

Cálculo Volume Real

Sendo que o Reator possui um diâmetro de 0,3 dm e 3 seções de 5 dm de comprimento:

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