A Conversão nos reatores CSTR e PFR para a reação do violeta cristal e hidróxido de sódio

Avaliação da conversão nos reatores CSTR e PFR para a reação do violeta cristal e hidróxido de sódio

Andreza Santos(1); Danielle de Cássia Santos Medeiros (1)*; Isadora Lima (1); Larissa Martins (1); Leliane Horta Rodrigues de Souza (1); Masakazu Takaki (1); Welberth Santos (1)

(1) Graduando em Engenharia Química; Universidade Federal de São João Del-Rei – Campus Alto Paraopeba, Rod.: MG 443, Km 7, Ouro Branco, MG, 36420-000. *[e-mail]

Resumo

RESUMO – Existem diferentes tipos de reatores: batelada, semibatelada e escoamento contínuo. Nesse relatório, serão analisados os reatores CSTR e PFR, sendo ambos de escoamento contínuo. Objetiva-se determinar a conversão experimental de uma reação de pseudoprimeira ordem, entre o violeta cristal e hidróxido de sódio, resultando como produto o álcool carbinol. Adiciou-se 50 mL de solução de violeta cristal em um balão volumétrico de 1000 mL e o completou com água. As amostras foram analisadas em um espectrofotômetro com o comprimento de onda de 520 nm. No experimento as vazões utilizadas foram de 0,5 L min-1 para o corante e 0,5 L min-1 para a base. Nessas condições as conversões obtidas foram 56,40% para o CSTR e 79,87% para o PFR. O desvio encontrado para o reator PFR foi menor se comparado ao CSTR, entretanto ambos proporcionaram um desvio significativo, que pode ser atribuído aos constantes vazamentos durante o experimento.

Palavras-chave: CSTR, PFR, conversão.

Introdução

 Os reatores são equipamentos nos quais ocorrem reações químicas, transferências de massa e de calor. Existem vários tipos de reatores químicos, mas a classificação mais básica é quanto ao vaso na qual são encontrados dois tipos principais: tanque ou tubos. Em Engenharia Química, são equipamentos projetados para conter reações químicas com o objetivo de maximizar a geração de produto desejado e de maior valor agregado e produzir o maior rendimento (1). Eles também são classificados quanto ao tipo de operação e podem ser contínuos ou em batelada. Os que operam de modo contínuo são os mais utilizados na indústria, são quase sempre operados em regime estacionário e podem ser de tanque agitado (CSTR), com escoamento empistonado (PFR) composto por tubos cilíndricos ou de leito fixo (PBR). O PFR é muito utilizado em reações na fase gasosa, nele a concentração varia com a posição. Já os CSTR são especialmente utilizados em reações em fase líquida e possibilitam que o meio reacional seja perfeitamente misturado. Para garantir essa característica ao CSTR, utiliza-se um impelidor que promove a mistura dentro do reator, mantendo constante a composição da mistura em qualquer parte do tanque (1). Reatores CSTR possuem os menores custos operacionais, de simples construção e apresentam facilidade de limpeza, mas apresentam a menor conversão por unidade de volume, quando comparado a outros tipos de reatores. Ele é utilizado quando uma agitação intensa é requerida, fazendo que fique fácil um maior controle de temperatura (1). Já, reatores PFR são de fácil manutenção (por não possuir partes moveis) e apresentam alta conversão por volume de reator. Como desvantagem pode citar a dificuldade de controlar a temperatura no interior do reator, e o aparecimento de pontos quentes que podem ocorrer em reações exotérmicas (1). Para definir o tipo de reator, o fator determinante levado em consideração é a conversão. Esta conversão pode ser determinada através de conceitos teóricos e matemáticos, utilizando a concentração do reagente limitante no início e fim do processo. Tal concentração pode ser obtida pela análise quantitativa em espectrofotometria (3). A espectrofotometria baseia-se na absorção da radiação nos comprimentos de onda entre o ultravioleta e o infravermelho. Um espectrofotômetro é um aparelho que faz passar um feixe de luz monocromática através de uma solução e mede a quantidade de luz que foi absorvida por essa solução. Ele determina qual quantidade de luz é absorvida a cada comprimento de onda. Tal quantidade de luz absorvida pode ser relacionada à concentração da espécie que absorve essa radiação, tornando, portanto, possível sua determinação (3). Com a espectrofotometria a absorbância das amostras é determinada, e com uma curva de calibração a concentração é determinada (3). A reação utilizada no experimento foi a de cristal violeta com o hidróxido de sódio. O violeta cristal é um composto iônico pertencente ao grupo dos corantes indicadores de pH, que em solução se dissocia nos íons C25H30N3 + e Cl - . Como consequência da deslocalização eletrônica observada no cátion a solução apresenta a tonalidade violeta. Na presença de OH- , a espécie C25H30N3 + reage originando o carbinol incolor, conforme a Figura 1 (3).

[pic 1]

 Figura 1: Reação entre o violeta cristal e a hidroxila, gerando carbinol incolor.

O principal objetivo do presente trabalho é a determinação da conversão experimental de um reator de mistura e de um reator tubular com o mesmo volume (2,14 L) em uma reação de pseudoprimeira ordem (entre o corante violeta cristal e hidróxido de sódio) e calcular os desvios entre os resultados experimentais e os cálculos teóricos.

Experimental

O experimento foi realizado utilizando-se um reator PFR e outro CSTR, ambos com volume de 2,14 L. A temperatura dos reatores foi controlada a partir de um banho termostatizado à 31 ºC. O objetivo foi medir a concentração de cristal violeta na saída de cada reator através da análise da absorbância em um espectrofotômetro em 520 nm. Na entrada de cada reator ambas as vazões de NaOH e cristal violeta foram mantidas em 0,6 L min-1. O tempo de retenção hidráulica utilizado para ambos reatores foi duas vezes o tempo espacial, o que correspondia à 3,5 minutos. Inicialmente a análise foi feita para o reator CSTR e posteriormente para o PFR, já que a saída para leitura do espectrofotômetro era igual para ambos os reatores.

Determinação da relação de absorbância e concentração.

A Lei de Lambert e Beer mostra a relação direta e exponencial entre a concentração da solução e sua absorbância, e é dada pela seguinte equação.

...