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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.
1
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.
2
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.
3
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
4
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).
5
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
6
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
7
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.
8
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.
9
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:
10
[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;
11
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.
12
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.
13
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.
14
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
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
17