Relatório Transferência de oxigenio

Prévia do material em texto

Relatório técnico
	Folha
	2 de 11
	
	Prática
	DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA GLOBAL
	
	Disciplina
	Laboratório de Engenharia Química II
	
	Professor
	Felipe Alves
	
	Grupo
	C
DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA GLOBAL
	
	Relatório técnico
	Folha
	1 de 11
	
	Prática
	DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA GLOBAL
	realização
	13/09/2016
	
	Unidade
	Instituto de Química
	Depart.
	Operações e Processos Industriais
	
	Disciplina
	Laboratório de Engenharia Química II
	
	Professor
	Felipe Alves
	Grupo
	C
	entrega
	20/09/2016
	NOTA
	
	Relatores :
	
	Gustavo Anciens
	
	Hanny Juliani
	
	Vanessa de Oliveira
	
	
Sumário
1.	RESUMO	3
2.	INTRODUÇÃO	3
3.	OBJETIVO	6
4.	METODOLOGIA	6
	4.1 DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO ............................................................................ 6
	4.2 PROCEDIMENTO OPERACIONAL .......................................................................... 6
	4.3 PROCEDIMENTO DE TRATAMENTO DOS DADOS ............................................ 6
5.	RESULTADOS E DISCUSSÃO	7
6.	CONCLUSÃO	11
7.	REFERÊNCIAS	11
	
RESUMO
	Este relatório trata do fenômeno da transferência de massa através da absorção do oxigênio presente no ar pela água de um tanque a temperatura ambiente. 
	A fim de se observar o comportamento da transferência de massa do oxigênio para a água, foram medidas as concentrações de oxigênio presente na água em diferentes tempos. A análise dos resultados se mostrou dentro do que seria esperado.
INTRODUÇÃO
	A concentração de oxigênio em água é um importante parâmetro a ser monitorado em muitos processos industriais, como por exemplo, pode-se citar a importância do conhecimento da saturação do oxigênio no mosto cervejeiro uma vez que a levedura cervejeira em anaerobiose é incapaz de sintetizar esteróis e ácidosgraxos insaturados, componentes essenciais de sua membrana. 
	O processo de aeração consiste em colocar a água em contato estreito com ar, transferindo para a água substâncias solúveis e aumentando seus teores de oxigênio e nitrogênio, e transferindo substâncias voláteis da água para o ar, permitindo a remoção do gás carbônico em excesso, do gás sulfídrico, do cloro, metano e substâncias aromáticas voláteis. Ainda, pode proporcionar a oxidação e precipitação de compostos indesejáveis, tais como ferro e manganês. A aeração pode ser por gravidade, aspersão, difusão de ar ou forçada.
Um agente sequestrante de oxigênio usual no tratamento de sistemas de aeração é o sulfito de sódio. Seu mecanismo de funcionamento pode ser explicado por sua reação com o oxigênio:
2 Na2SO3 + O2 2 Na2SO4
	Da mesma forma que um gradiente de temperatura é o potencial motriz para a transferência de calor, um gradiente de concentração de uma espécie em uma mistura fornece o potencial motriz para o transporte desta espécie. A transferência de massa está associada ao transporte de um ou vários solutos em um meio ou entre meios distintos podendo ocorrer por dois tipos de mecanismos: Difusão mássica ou Convecção mássica. 
Para o sistema ar-água, devido a baixa solubilidade do oxigênio, podemos considerar que toda a resistência à transferência de oxigênio deve-se a película estagnada da fase líquida. Como a resistência é o inverso do coeficiente de transferência, tem-se que KG>>>KL. Assim, para a difusão gás-líquido no caso da transferência de oxigênio do ar para o meio líquido:
 (2)
Onde:
NO2 = fluxo de oxigênio por unidade de área interfacial (g/m2.h)
KL = coeficiente de transferência de massa global da película líquida (m/h)
Cs = concentração de saturação. Concentração de O2 dissolvido no líquido em equilíbrio com a pressão parcial de O2 (atm) no seio gasoso (g/m3)
C = concentração de oxigênio no seio líquido (g/m3)
Como esse fluxo de oxigênio está expresso em termos de unidade de área interfacial de transferência de massa (g/m2.h), pode-se definir um termo denominado “a” como:
 
Multiplicando-se o fluxo de oxigênio (NO2) pela área interfacial de transferência de massa (a), dada pela área superficial das bolhas por volume total de líquido, tem-se que:
 
	Efetuando um balanço de massa para o oxigênio, têm-se que:
 
 
Integrando nos limites de t=0 a t=t e C=C0 a C=C:
Onde: 	
C0 = concentração de oxigênio no tempo t=0 (g/m3)
Para identificar a concentração de saturação teórica do oxigênio na água, utilizamos a Lei de Henry. Esta se aplica somente quando a concentração do soluto e a sua pressão parcial são baixas, isto é, quando o gás e sua solução são essencialmente ideais, e quando o soluto não interage fortemente com o solvente. 
A constante de Henry (Hi) tem seu valor obtido experimentalmente. Quanto maior o valor de Hi, menor a solubilidade à determinada pressão parcial do gás. Nitrogênio e Oxigênio apresentam menor solubilidade a temperaturas mais altas, sendo este um comportamento típico dos gases. Para um soluto muito diluído na fase líquida, a lei de Henry enuncia que a pressão parcial da espécie na fase vapor é diretamente proporcional à sua fração na fase líquida. Assim, supondo fase vapor ideal, temos:
Para oxigênio dissolvido em água, a constante de Henry vale 44380 bar. Considerando yi = 0,21 (ar atmosférico) e P = 1 bar:
Assim, de acordo com a Lei de Henry, a concentração teórica de saturação de O2 na água deverá ser igual a 8,41 mg/L.
OBJETIVO
	O objetivo desta prática é analisar a transferência de oxigênio, em um tanque de borbulhamento, a fim de que se possam determinar parâmetros importantes deste fenômeno, como o coeficiente global de transferência de massa.
METODOLOGIA
Descrição do Equipamento
	Para a realização da prática em questão foram necessários um tanque agitado com aerador, agitador mecânico, rotâmetro, uma válvula agulha para a medida e ajuste de vazão do ar, um rotor para estabelecer a agitação, uma válvula esfera para esvaziamento do tanque e um oxímetro utilizado para medir a concentração de oxigênio na água. 
Procedimento Operacional
Inicialmente foi feita a desoxidação da mesma utilizando 6 gramas de sulfito de sódio (agente sequestrante do oxigênio) dissolvidos em água previamente, para 20 litros de água. Antes de adicionar o agente sequestrante, foi medida a concentração de oxigênio na água do tanque agitado. Durante o processo de desoxigenação, foram feitas medidas da concentração de oxigênio no tanque a cada 5 minutos a fim de registrar o comportamento do processo de desoxigenação. 
	Ao se verificar que a concentração de oxigênio não variava mais, foi iniciada a etapa de oxidação. Para isso, a rotação do agitador foi ajustada para 60 rpm, utilizando o rotâmetro, e a vazão de ar no aerador foi ajustada para 0,5 m3/h. Após isso, deu-se continuidade as medições de concentração de oxigênio em função do tempo, até se alcançar o valor da concentração de saturação de oxigênio na água. 
	Para as verificações da concentração de oxigênio com o oxímetro, este foi posto em contato com a amostra coletada e a leitura só foi realizada após a estabilização do aparelho. 
Procedimento de Tratamento dos Dados
	Com os dados obtidos na prática experimental, plotando concentração x tempo, obtém-se perfis de concentração. 
	O comportamento das concentrações de oxigênio variando com o tempo obtidas no processo de oxidação deve ser ajustado a um comportamento linear, de acordo com a equação:
	Assim, foram calculados os valores de para cada concentração obtida em seu respectivo tempo, e posteriormente plotado um gráfico de versus tempo. 
Com o gráfico plotado em excel, são obtidos os respectivos coeficientes linear e angular. Como o coeficiente angular é exatamente o coeficiente de transferência de massa global da película líquida vezes a área interfacial de transferência de massa, foi possível obter KLa a partir do ajustelinear.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os dados lidos no oxímetro em cada amostra são apresentados nas tabelas 1 e 2, que indicam os processos de desoxidação e oxidação, respectivamente.
Tabela 1 – Dados obtidos no processo de desoxidação
Tabela 2 – Dados obtidos no processo de oxidação
Os gráficos 1 e 2 apresentam os perfis de concentração obtidos em cada processo.
Gráfico 1 – Perfil de concentração de oxigênio no processo de desoxidação
Gráfico 2 – Perfil de concentração de oxigênio no processo de oxidação
	No processo de desoxidação, observamos uma rápida redução da concentração do O2 no meio, conforme esperado pela cinética da reação do sulfito de sódio (sequestrante) à temperatura ambiente. Assim, a ausência do O2 já é observada com apenas 10 minutos de processo. O valor inicial da concentração de oxigênio, 3,91mg/L foi definido como a concentração experimental de saturação do oxigênio na água.
	No processo de oxidação, o aumento da concentração de oxigênio no sistema aumenta com o tempo de forma esperada, onde a água fica saturada em oxigênio em cerca de 45 minutos.
	A tabela 3 apresenta os valores obtidos para o ajuste linear, utilizando os dados do processo de oxidação, e os valores dos coeficientes angular e linear podem ser identificado no gráfico 3.
Tabela 3 – Valores obtidos para o ajuste linear
Gráfico 3 – Gráfico de ajuste linear
Observando a equação da reta obtida, podemos considerar que o ajuste linear descreveu satisfatoriamente o comportamento dos valores obtidos, devido ao alto valor de R2. Como a equação é linear, y = a*x + b, então, o coeficiente angular igual a 0,0692 representa o valor do coeficiente de massa global (KLa), de acordo com a equação exposta na seção de tratamento de dados.
CONCLUSÃO
	O processo de agitação e aeração auxiliam no transporte de massa do oxigênio contido no ar para a água, e o modelo de transferência de massa desenvolvido representa bem os dados experimentais. Ainda, foi possível avaliar os perfis de concentração nos processos de oxidação e desoxidação. O valor de concentração de saturação obtido experimentalmente foi muito inferior ao teórico. Isto se deve provavelmente à baixa confiabilidade em relação aos dados de concentração de oxigênio gerados, devido ao oxímetro utilizado. 
	
REFERÊNCIAS
CREMASCO, M. A. Fundamentos da Transferência de Massa. 
MAGALHÃES, A. A. B, et al. Eficiência de Transferência de Massa Gás-Líquido por Ar Difuso. 
SMITH, J. M., VAN NESS, H. C., ABBOTT, M. M. Introdução à termodinâmica da engenharia química. 7a Ed., LTC, Rio de Janeiro, 2007 
SEQUESTRANTE DE OXIGÊNIO PARA CALDEIRAS: SULFITO. Disponível em <http://www.kurita.com.br/adm/download/Sequestrante_de_Oxigenio_Sulfito.pdf>. Acesso em: 19 de setembro de 2016.