CALCULO DE REATORES

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FACULDADE PITÁGOTAS
CAMPUS HORTO
LETICIA ARAUJO
LETICIA OLIVEIRA
MARIANA MELO
RAYANNE DIAS 
RODRIGO TORRES
FUNCIONAMNETO DE UM REATOR CONTÍNUO DE MISTURA (CSTR – Continuos Stirred Tank Reactors)
IPATINGA
2019∕2
1. INTRODUÇÃO									
A seguir serão descritos objetivos e conceitos teóricos que sustentam tecnicamente o desenvolvimento do presente trabalho.
1.1 OBJETIVO
	O objetivo deste projeto é construir um reator CSTR, respeitando todas as caraterísticas para ser considerado um reator contínuo de mistura, comprovando a eficiência do reator através da reação do NaOH 0,1M (hidróxido de sódio) e H3PO4 0,1M (ácido fosfórico), usando o indicador vermelho de metila 0,1%. Reação essa a ser observada as alterações nas conversões finais do reagente limitante, quando são alteradas as vazões de entrada, os volumes dos reatores e os níveis de agitação dentro do tanque. Os resultados finais seram comparados a literatura para a validação final.
1.2 REFERENCIAL TEÓRICO 
	Reatores com escoamento contínuo quase sempre operam em estado estacionário, sendo usado principalmente para reação em fase líquida. Existe uma variedade de reatores contínuos a serem utilizadas na indústria. Apesar disso, o reator CSTR (Continuos Stirred Tank Reactors) está entre os mais utilizados, tratando-se basicamente de um reator formado por um tanque com um agitador. Onde é realizado a homogeneização dos reagentes e produtos em meio a um escoamento contínuo, no qual não existe acúmulo de reagentes, pode-se analisar o funcionamento do reator na figura 1(FOGLER, 2009).
Figura 1 – Funcionamento do reator CSTR
Fonte (MARTINS, 2018).
Uma vez que é operado em estado estacionário e é considerado mistura perfeita, como consequência, a temperatura, a concentração ou a velocidade de reação dentro do CSTR não depem do tempo ou da posição. Uma vez que a temperatura e a concentração são idênticas em qualquer ponto dentro do interior do tanque, elas são as mesmas na saída como qualquer outro ponto dentro do tanque (FOGLER, 2009). 
Os reatores CSTR são utilizados exclusivamentes na indústria de processos químicos, uma das melhores razão para o uso desse tipo de reator é o aumento de seletividade das reações em fase líquidas, dentre as vantagens da utilização desse reator e tendo em vista também suas desvantagens, pode-se observar de forma listada na tabela (1).
Tabela 1 – Vantagens e desvantagens do reator CSTR
	Vantagens
	Desvantagens
	Fácil controle de temperatura;
	Operação difícil de analisar;
	Facilidade de limpeza;
	Alto custo por unidade de produto;
	Diminuição da reações indesejadas;
	Complexidade de produção em larga escala. 
	Controle e construção simples
	Higienização requer o desligamento do processo;
	Podem operar por muito tempo com pouca força de trabalho. 
	Menor valores de conversão
Fonte (DOS AUTORES, 2019).
	Possui vantagens de controle, uma vez que podemos controlar a temperatura da reação pela regulagem da vazão de alimentação e ainda, é possível minimizar as reações paralelas indesejáveis através do uso de correntes com concentrações baixas de reagente limitante. No entanto, em comparação aos outros reatores que operam em sistema contínuo, apresenta a menor conversão de reagente por volume.
	Podemos encontrar as reatores CSTR tanto como tanque simples, sozinhos, ou em bateria de tanques conectados em séries e em paralelo para melhorar o rendimento do processo. Porém é imprescindível que haja uma entrada para adição continua dos reagentes e uma saída contínua para os produtos, dessa forma mantendo o volume constante do reator (MARTINS, 2018). 
	Em fundamentos o reator é considerado perfeitamente agitado, portanto a velocidade de reação é calculada nas condições de saída, ou seja, a composição do interior do tanque. Desta forma o volume a ser calculado para conversão XA está descrito na equação (1) (MARTINS, 2018):
 .............................................................................................................(1)
2. MATERIAS E MÉTODOS 
	Os componentes e equipamentos necessários para construção do protótipo de reator CSTR foram avaliados, planejando-se quais os materiais seriam necessários para construção e seram descritos nos itens abaixo.
2.1 MATERIAS UTILIZADOS 
	A seguir serão descritos os materiais utilizados para a construção do reator CSTR e os materiais e reagentes utilizados para preparação das soluções utilizados para teste e a apresentação do funcionamento do protótipo.
 
2.1.1 Materiais utilizados para construção do reator
	Na Tabela 2, são expostos os materiais utilizados na construção de todo o sistema do protótipo e a situação de obtenção dos mesmos, bem como o custo para cada material.
 Tabela 2 – Materiais utilizados para construção do reator CSTR.
	Material 
	Quantidade
	Situação
	Custo R$
	Pote de Vidro 2 Litros
	02 unidades
	Novo
	29,80
	Torneira
	05 unidades
	Novo
	25,00
	Pote de plástico quadrado 2 L
	02 unidades
	Novo
	10,00
	Mangueira transparente
	2,5 metros
	Novo
	4,50
	Controlador de velocidade
	02 unidades
	Novo∕ Reutilizado
	12,50
	Motor elétrico 115/220V 32W 1330/1550 RPM 
	02 unidades
	Novo
	66,00
	Eixo para misturador com hélice
	02 unidades
	Novo
	60,00
	Tinta Spray branca
	02 unidades
	Novo
	20,00
	Forro Eucatex
	01 metro²
	Reutilizado
	-
	Parafuso
	08 unidades
	Reutilizado
	-
	Tubos redondo 2 mm diâmetro
	02 metros
	Reutilizado
	-
	Cabeamento elétrico 1,5 mm
	04 metros
	Reutilizado
	-
	Cola
	01 unidade
	Reutilizado
	-
Fonte (DOS AUTORES, 2019)
	Foi calculado os custos de mão de obra para construção e operação incluindo os teste do protótipo de reator CSTR, estipulando o valor de mão de obra de 80 R$ por dia, foram considerados gastos 4 dias para construção trabalhando-se 8 horas/ dia. O custo total de material foi de R$ 227,80 e mais o custo de mão de obra de 4 dias de R$ 320, totalizando R$ 547,80.
2.1.2 Materiais utilizados para preparo das soluções
	Na Tabela 3, será descrito os materiais e reagentes utilizados para preparação dos soluções utilizadas para realizações desse projeto
Tabela 3 – Materiais e reagentes utilizados para para preparo das soluções
	Material 
	Quantidade
	Situação
	Ácido fosfórico
	22 mL
	Cedido
	Água destilada
	8 L
	Cedido
	Balão volumétrico 2L
	02 unidades
	Cedido
	Balança analítica
	01 unidade
	Cedido
	Bastão de vidro
	01 unidade
	Cedido
	Cronômetros
	02 unidades
	Cedido
	Espátula
	01 unidade
	Cedido
	Funil
	01 unidades
	Cedido
	Hidróxido de sódio PA (lentilhas)
	80 g
	Cedido
	Indicador vermelho de metila
	2 mL
	Cedido
	Pera
	01 unidade
	Cedido
	Proveta 500mL
	02 unidades
	Cedido
	Pipeta graduada
	01 unidade
	Cedido
	Pissete
	01 unidade
	Cedido
	Vidro relógio
	01 unidade
	Cedido
Fonte (DOS AUTORES, 2019).
	Todos os materiais utilizados nessa etapa foram cedidos pela faculdade Pitágoras assim, não havendo custos reais para os estudantes que desenvolveram o projeto.
2.2 MÉTODOS UTILIZADOS 
	A seguir serão descritos os métodos utilizados para a construção do reator CSTR e a preparação das soluções utilizadas. 
2.2.1	Construção do reator
	Na parte inferior do pote de vidro foi feita uma abertura com furadeira e broca apropriada e fixado uma torneira para saída da solução. Na tampa do pote fixou o motor com o agitador e foram feitos furos para alimentação na parte de cima do pote. No pote de plástico foi feita uma abertura para adaptação de válvula do tipo torneira e uma mangueira que alimentasse o reator. Em todas as saídas foram verificadas as válvulas para que não houvesse vazamentos dos tanques. A alimentação foi feita por diferença de gravidade. Na saída do vidro a torneira acoplada foi colocada um recipiente de 2 litros para coleta de toda a solução após a reação. Todo esse sistema foi instalado em um suporte de ferro com tubos, e folhas de Eucatex. 
2.2.2 Preparado das soluções 
	Para preparar a solução de 2L de uma solução de NaOH 0,1M é necessário calcular a massa do hidróxido de sódio, utilizando a fórmula de concentração molar. Após determinar a massade NaOH, as 40g foram diluídas e transferidas para um balão volumétrico afim de, acertar o volume com água destilada. 
	Para a preparação da solução de 2L de H3PO4 0,1M é calculada a massa da mesma forma utilizada no procedimento anterior, após a determinar a massa ultiliza-se a fórmula da densidade para determinar o volume do ácido necessário para o preparo da solução, considerando a densidade 1,88g.cm-3 seram necessários aproximadamente 10,5 mL de ácido logo, é adicionado o ácido no balão volumétrico já com um volume de água destilada para então poder completar e homogeneizar a solução. 
2.2.3 Operação do reator CSTR
	Inicialmente foram completados manualmente cada um dos reservatórios com as soluções de Hidróxido de Sódio e Ácido fosfórico preparadas a 0,1M. Foi medida a vazão desejada utilizando um cronômetro. Logo após completou o reator com 75% de seu volume com a solução de ácido fosfórico, adicionou cerca de 15 gotas de indicador vermelho de metila e em seguida, ligou-se a agitação e abriu a válvula de saída do mesmo e imediatamente transferiu a solução de NaOH para o interior do reator. Essa abertura da válvula de saída foi estabelecida de maneira que o volume no interior do vaso fosse mantido constante. Após o início do sistema, esperou-se 1 minuto para que operasse observasse a primeira viragem e mudança de cor do indicador de vermelho para laranja e cerca de mais 4 segundos para mudança para amarelo. Os níveis dos reservatórios foram mantidos sempre cheios durante o procedimento para que não houvesse oscilação da vazão, já que o sistema operou por gravidade. Este procedimento foi realizado 3 vezes, variando as vazões entre 0,5 L.min-1 e 1 L.min-1, o volume do reator em 1 L e 1,5 L. Os resultados foram analisados a partir das interferências destas variáveis na conversão no CSTR. Desta maneira, foi possível avaliar o rendimento do processo e estabelecer uma conversão experimental. Ou seja, o que realmente foi convertido durante a experimentação. Para o cálculo da conversão teórica seguiu um modelo onde Vr representa o volume do reator, CA0 a concentração inicial da espécie A, CB0 para concentração inicial da espécie B, V0 vazão volumétrica inicial, XA para a conversão em relação a espécie A e K a constante de velocidade da reação, conforme demostrado na equação 2.
 ........................................................................................(2)
	Conforme descrito na equação 3, o cálculo da conversão experimental percentual, XA, pode ser representada em termos de concentração dos reagentes iniciais, CA0 e finais, CA
.....................................................................................................................(3)
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 
	A seguir estão descritos os resultados obtidos e observações feitas durante os testes do projeto. 
	3.1 INFLUÊNCIA DA AGITAÇÃO NA CONVERSÃO 
	Para análise da influência da velocidade de rotação do agitador sobre a conversão no reator, fixou-se as vazões de entrada dos reagentes em 1 L.min-1 (0,0166 L.s-1), o volume do reator em 1,5 litros, com concentrações iniciais equivalentes a 0,1 M e temperatura ambiente de aproximadamente 25 ºC, utilizando um valor fornecido na literatura para a constante cinética é K= 0,2195 L.mol-1.s-1, variando somente a rotação do agitador utilizando rotação mínima e a rotação máxima de 1550 rpm. 
	Observou-se, que a conversão experimental de hidróxido de sódio é proporcional a velocidade de rotação do agitador, ou seja, quanto maior a agitação, maior a conversão do reator, devido as moléculas reagentes serem influenciadas hélice do agitador, e quanto maior a agitação maior é a colisão das espécies. É possível verificar também que se calculado os valores de conversão teórica eles se manteriam constantes pelo fato de, na fórmula da conversão teórica não haver nenhum fator relacionado a agitação. Ou seja, para qualquer velocidade de agitação a conversão permaneceria a mesma, a conversão experimental baixa, ocorre no caso de rotações abaixo da idealidade, muito mínimas, não promovendo a mistura perfeita.
	3.2 INFLUÊNCIA DO VOLUME DO REATOR NA CONVERSÃO 
	Para determinação da influência do volume do reator sobre a conversão, trabalhou-se com concentrações iniciais dos reagentes equivalentes a 0,1 M, a temperatura ambiente. Optamos por utilizar uma vazão de 1L.min-1 para facilitar nos cálculos, utilizando um valor teórico encontrado na literatura para a constante cinética é K= 0,2195 L.mol-1.s-1. Variando somente o volume do reator em 1L e 1,5 L.
	Foi possível observar que ao se iniciar com um volume menor a conversão experimental também é menor, já com um maior volume do meio reacional, maior será a conversão obtida. Isso acontece devido ao aumento no tempo de residência das moléculas no interior do reator, ou seja, quanto maior o volume reacional maior será o tempo de interação entre as moléculas reagentes.
	3.3. INFLUÊNCIA DA VAZÃO NA CONVERSÃO
	Para verificar o efeito da vazão sobre a conversão do reator, realizou-se o experimento a temperatura ambiente de aproximadamente 25 ºC, concentrações iniciais dos reagentes iguais a 0,1M, com velocidade de agitação constante e por escolha com o volume do reator de 1,5L e utilizando um valor teórico encontrado na literatura para a constante cinética é K= 0,2195 L.mol-1.s-1. Variou-se somente as vazões de entrada dos reagentes em 0,5 L.min-1 e 1 L.min-1. 
	Tratando-se de vazão de entrada dos reagentes, a conversão se comporta de forma contrária as outras variáveis, ou seja, a medida que a vazão aumenta, a conversão de NaOH diminui em consequência a diminuição no tempo de residência das moléculas e no tempo de reação das substancias reagentes. 
4. CONCLUSÃO 
	A agitação é um fator importante quando deseja-se obter uma mistura eficiente e conversão maior. Nota-se um visível aumento na conversão conforme o número de rotações por minuto (rpm) do agitador vai aumentando. Pode-se determinar que a conversão da reação diminuiu com o aumento na taxa de fluxo dos reagentes. O aumento do volume do reator também tem efeito positivo na conversão. A influência de condições operacionais obtidas neste trabalho como taxa de fluxo de reagentes, taxa de agitação e volume do reator na conversão comportou-se como mencionado pela literatura, aumentando ou diminuindo conforme a variação de certos parâmetros.
REFERÊNCIAS