LEQ3-Prática05-REATOR CSTR

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Universidade Federal de Viçosa (UFV) 
Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas 
Departamento de Química e Engenharia Química (DEQ) 
ENQ 273 – Laboratório de Engenharia Química III 
 
 
NOMES: Isabella Cristina de Castro 
 Júlia Gabriela Alves Nogueira Gonçalves 
 Roni Júnior Simplício Marques 
 
 
Matrículas: 78147 
 83023 
 83034 
 
TURMA: P03 
 
 
PRÁTICA: Prática 05 – Determinação da Velocidade Específica 
e Energia de Ativação em Reatores CSTR. 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
A cinética das reações estuda a taxa na qual as reações químicas ocorrem e os 
fatores que a influenciam. A velocidade da reação é definida por um produto de uma 
constante dependente da temperatura pela concentração dos reagentes. Não existe uma 
velocidade padrão para todas as reações químicas, cada uma acontece com suas 
características e velocidades únicas. A ordem global de uma reação é a soma dos 
expoentes dos termos de concentração da equação de velocidade. É de suma importância 
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). 
Os equipamentos projetados que fornecem condições adequadas para ocorrer 
reações químicas, transferência de massa e calor, são chamados de reatores químicos 
(FABREGA, F. M. 2012). A necessidade de se projetar um reator para um determinado 
processo químico segue uma série de fatores que dependem basicamente: da cinética da 
reação, do tipo de reator que melhor se encaixe nas condições de operação, que consiga 
a máxima conversão dos reagentes em produtos finais, que possua alto rendimento e 
menor custo de montagem, instalação e operação. 
Em indústrias químicas, um dos tipos de reatores com o qual um engenheiro 
pode-se deparar é o chamado reator CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactor), por isso 
faz-se importante o estudo e operação destes. Neste tipo de reator, o conteúdo é agitado 
de maneira que fique uniforme seu interior, no qual todos os pontos da mistura reacional 
contida no interior do reator possuem a mesma composição e temperatura, e a corrente de 
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saída deste reator também possui a mesma composição e temperatura. Além disso, a taxa 
da reação no interior do reator também é uniforme (LEVENSPIEL, 1999). 
Segundo FOGLER, 2009 o CSTR é um reator comumente usado em 
processamentos industriais. Também chamado de reator contínuo de tanque agitado ou 
reator de retromistura, é normalmente operado em regime estacionário e é considerado 
estar perfeitamente misturado, consequentemente a temperatura, a concentração ou a 
velocidade de reação dentro do CSTR não dependem do tempo ou da posição. 
Geralmente, utilizam-se os reatores CSTR quando se tem reações em fase líquida 
e que requerem grande mecanismo de agitação. Estes tipos de reatores são preferíveis em 
relação a reatores que operam em sistemas de bateladas pelo fato de poderem ser 
utilizados quando se necessita de processos com grandes volumes. Porém requerem um 
volume maior se comparados aos outros tipos de reatores industriais como o PFR (Pug 
Flow Reactor). Isso decorre do fato de sempre trabalharem com taxa de conversão 
uniforme e igual a da corrente de saída. 
 
 
Figura 1.1 – Padrões de Mistura em um CSTR. 
Fonte: FOGLER, 2009. 
 
O verde malaquita em água forma uma solução aquosa de coloração azul intensa. 
Os produtos da reação juntamente com o hidróxido de sódio são incolores. Esta reação 
pode ser avaliada através da taxa reacional de cinética homogênea para pseudo-primeira 
ordem. 
Objetivou-se encontrar a velocidade específica da reação entre o verde malaquita 
e o hidróxido de sódio através de dados recolhidos de um reator CSTR ideal pelo método 
das pseudo-ordens e a energia de ativação desta reação através da equação de Arrhenius. 
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2 MATERIAIS E METODOLOGIA 
 
2.1 MATERIAIS 
 
Os materiais utilizados nessa prática foram: módulo experimental de reator de 
mistura completa (CSTR), reservatórios das soluções, balança, medidor de vazão, 
espectrofotômetro com leitura em 615 nm, béqueres de 100 mL, bastão de vidro, 
termômetro, solução de verde malaquita a 7,0.10-5 mol L-1 e solução de hidróxido de sódio 
a 0,03 mol L-1. 
 
2.2 METODOLOGIA 
 
 Inicialmente procedeu-se ao preparo das duas soluções. Adicionou-se a massa 
pesada de aproximadamente 0,5108 g de verde malaquita em 500 mL de água. Como cada 
um dos reservatórios de reagentes do módulo experimental tem um volume de 20 L, 
ambos estavam cheios até o nível de 19,5 L de capacidade no momento em que verteu-se 
as duas soluções preparadas. Dessa forma, ao adicionar o volume de 500 mL da solução 
de verde malaquita no seu respectivo reservatório, o volume de 20 L do mesmo foi 
completo e a concentração final obtida foi de aproximadamente 7,0.10-5 mol L-1. O 
procedimento realizado foi análogo para o preparo da solução de NaOH. Adicionou-se a 
massa pesada de aproximadamente 23,9952 g de hidróxido de sódio em 500 mL de água, 
que ao verter-se a solução preparada em seu respectivo reservatório e completo o volume 
de 20 L, obteve-se a concentração final de aproximadamente 0,03 mol L-1. 
 Após a adição das soluções nos reservatórios, as mesmas foram homogeneizadas 
com o auxílio de um bastão de vidro. Deu-se partida, então, no reator CSTR, regulando a 
vazão de entrada de cada reagente no reator. Como o experimento foi realizado 
utilizando-se as mesmas vazões de entrada no CSTR tanto de verde malaquita, quando de 
NaOH, as concentrações de entrada dos dois reagentes diluíram pela metade de suas 
concentrações preparadas. Após o início da reação, esperou-se um tempo para que o reator 
atingisse a condição de regime estacionário. Daí alíquotas de solução foram retiradas da 
corrente de saída do reator por meio de uma válvula própria para tal fim, acoplada ao 
CSTR. Levou-se a alíquota recolhida através de uma cubeta, para o espectrofotômetro 
para a devida leitura das absorbâncias. Essas leituras foram repetidas até que seus valores 
se tornassem coerentes entre si. Depois, esse procedimento foi repetido variando as 
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vazões individuais de cada solução igualmente atingindo as vazões totais de 120 L.h-1, 
100 L.h-1 80 L.h-1, 60 L.h-1, 40 L.h-1 e 20 L.h-1. Salienta-se que as medições de 
absorbância são necessárias, porque as concentrações de verde malaquita podem ser 
obtidas a partir das mesmas, utilizando-se a correlação linear entre as duas variáveis. 
 
2.2.1 Determinação da Velocidade Específica 
 
 A reação entre o verde malaquita (A) e o hidróxido de sódio (B) pode ser escrita 
de acordo com a equação química abaixo: 
 
𝐶23𝐻25ClN2 (𝐴) (𝑎𝑞) + 𝑁a𝑂𝐻 (𝐵) (𝑎𝑞) → 𝐶23𝐻25𝑂𝐻𝑁2 (𝐶) (𝑎𝑞) + 𝑁𝑎𝐶𝑙 (𝐷) (𝑎𝑞) 
 
Desse modo, a expressão da taxa para a reação química mostrada acima pode ser 
dada pela Equação 01: 
 
𝑟𝐴 = −𝑘. 𝐶𝐴
𝛼 . 𝐶𝐵
𝛽
 (Equação 01) 
 
 onde 𝑟𝐴 é a taxa da reação de verde malaquita (A), 𝑘 é a velocidade específica da 
reação, 𝛼 e 𝛽 são as ordens reacionais para as espécies A e B respectivamente. 
 Como nesse experimento a concentração de B (NaOH) 𝐶𝐵 é muito maior que a 
concentração de A (verde malaquita) 𝐶𝐴, pode-se assumir que a variação do consumo de 
B é quase nulo e, portanto, sua concentração no meio reacional constante. Logo pode-se 
imbricar esta concentração na expressão da taxa, utilizando-se um novo parâmetro: a 
velocidade específica aparente 𝑘𝐴𝑃. Sendo assim, a expressão dataxa se apresenta da 
forma especificada na Equação 02: 
 
𝑟𝐴 = −𝑘𝐴𝑃. 𝐶𝐴
𝛼 em que 𝑘𝐴𝑃 = 𝑘. 𝐶𝐵
𝛽
 (Equação 02) 
 
 Como a reação ocorre em fase líquida, pode-se considerar que a mesma ocorre 
sem expansão ou contração de volume. Dessa forma, para o reator CSTR, a Equação 03 
é válida: 
 
𝜏 =
𝐶𝐴0. 𝑋𝐴
(−𝑟𝐴)
 (Equação 03) 
 
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 onde τ define-se como o tempo espacial do reator CSTR, dado pela vazão entre o 
volume V do reator e a vazão de alimentação 𝑣0 do mesmo. 
 Para determinar a velocidade específica da reação e a ordem da mesma utiliza-se 
um método de tentativa e erro. Inicialmente, supõe-se que a reação é de primeira ordem. 
Sabendo disso e que a mesma ocorre sem variação de volume, observa-se que a taxa pode 
ser reescrita segundo a Equação 04. 
 
(−𝑟𝐴) = 𝑘𝐴𝑃. 𝐶𝐴0. (1 − 𝑋𝐴) (Equação 04) 
 
 Portanto, a Equação 03 pode ser reescrita como representado na Equação 05: 
 
𝜏 =
𝑋𝐴
𝑘𝐴𝑃. (1 − 𝑋𝐴)
 (Equação 05) 
 
 A Equação 06 é obtida de forma a linearizar a Equação 05, possibilitando, dessa 
forma, a utilização de regressão linear dos dados coletados experimentalmente. 
 
𝑋𝐴
(1 − 𝑋𝐴)
= 𝑘𝐴𝑃. 𝜏 (Equação 06) 
 
 Na Equação 06, o termo 
𝑋𝐴
(1−𝑋𝐴)
 representa os “Y” da regressão, enquanto cada “τ” 
representa os “X”, sendo que esse tempo espacial varia com cada vazão de alimentação 
dos reagentes. Caso essa regressão apresente um valor adequado para a correlação e para 
o quadrado dela, será concluído que a reação é de primeira ordem, e o valor de 𝑘𝐴𝑃 será 
obtido. Caso contrário, supõe-se a seguir que a reação é de segunda ordem. Logo, 
reescreve-se a Equação 03 de acordo com a Equação 07 e assim por diante. 
 
𝜏 =
𝑋𝐴
𝑘𝐴𝑃. 𝐶𝐴0.(1 − 𝑋𝐴)2
 (Equação 07) 
 
 
 
 
 
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2.2.2 Determinação da Energia de Ativação 
 
A expressão que relaciona a energia de ativação com a velocidade específica para 
reações homogêneas é dada pela Equação 07, também conhecida como expressão de 
Arrhenius: 
 
𝑘 = 𝑘0 . 𝑒𝑥𝑝 (−
𝐸
𝑅𝑇
) (Equação 08) 
 
 onde 𝑘 é a velocidade específica da reação em uma dada temperatura T (K), 𝑘0 é 
uma constante com a mesma unidade de 𝑘 e 𝐸 é a energia de ativação da reação, dada em 
(J/mol). 
 
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 
 
Na Tabela 3.1 estão relacionados os valores de absorbância do aparelho de 
espectrofotômetro em relação às porcentagens de concentração inicial do reagente 
limitante (verde malaquita). Tais dados são teóricos e serão considerados para o cálculo 
das concentrações de verde malaquita, em mol.L-1 em intervalos de tempo, durante o 
procedimento experimental. 
Tabela 3.1 – Relação teórica entre absorbância da amostra e concentração 
absorbância 
Porcentagem (%) Absorbância 
50 0,531 
40 0,421 
30 0,263 
20 0,204 
10 0,085 
5 0,048 
 
Na Tabela 3.2 está apresentado os valores de absorbância observados no 
espectrofotômetro após alterações na vazão volumétrica do reator e também os valores já 
calculados de concentração de verde malaquita correspondente à cada alíquota retirada. 
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Os valores obtidos para a vazão de 20 L.h-1 foram desconsiderados devido à leitura de 
absorbância ter sido discrepante em relação às demais. 
 
Tabela 3.2 – Relação entre alteração vazão volumétrica, absorbância, tempo de 
residência e concentrações de verde malaquita. 
Vazão (L.h-1) Absorbância 𝛕 (h-1) CA (mol.L-1) 
40 0,05850 4E-2 4,51E-6 
60 0,08100 2,67E-2 5,86E-6 
80 0,10250 2E-2 7,15E-6 
100 0,11400 1,6E-2 7,84E-6 
120 0,14025 1,33E-2 9,42E-6 
 
A concentração de verde malaquita foi determinada de acordo com a equação Y 
= 6,0.10-5.X + 1,0.10-6, obtida por regressão linear no relatório referente à determinação 
da velocidade específica. 
Adotando a suposição inicial de ordem global 1 para a reação e sendo CA0= 3,5.10
-
5 mol.L-1. A Equação 06 será utilizada para a realização da regressão linear. 
Os pontos da regressão linear estão apresentados na Tabela 3.3. 
Tabela 3.3 – Pontos usados para a regressão linear 
τ (h-1) Y 
0,04 6,752 
0,0267 4,988 
0,02 3,902 
0,016 3,464 
0,0133 2,717 
 
Assim, realizando a regressão linear com os pontos dispostos obtém-se uma 
correlação satisfatória, ilustrada pelo gráfico da Figura 3.1 e com isso a equação da 
correlação. 
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Figura 3.1 – Y da regressão versus Tempo Espacial. 
Y(X)= 146,43.X + 0,9673 com R2 = 0,996 
Assim, pela regressão, podemos concluir que a reação que se procede é de 
primeira ordem global e possui um 𝑘𝐴𝑃 = 146,43 h
-1 ou 𝑘𝐴𝑃 = 2,4405 min
-1. Dessa forma, 
pela Equação 02 tem-se que o valor da velocidade específica que se encontra na expressão 
de taxa para a consideração de pseudo-ordem é 𝑘 = 162,7 min-1 L-1. 
A energia de ativação pode ser calculada utilizando o valor da velocidade 
específica 𝑘 = 50 min-1 L-1 obtida em experimento anterior para uma T = 277,15 K, 
relacionando com a velocidade específica 𝑘 = 162,7 min-1 L-1 para uma T = 297,15 K. 
Logo a energia de ativação calculada por meio da expressão de Arrhenius da Equação 08 
é: E = 40393,4 J.mol-1. 
 
4 CONCLUSÃO 
 
 Com a realização do procedimento experimental foi possível mensurar parâmetros 
cinéticos como a velocidade específica da reação entre o verde malaquita e o NaOH 
através da utilização de um reator CSTR. Todavia, no dia em que a experimentação foi 
realizada, o espectrofotômetro estava apresentando oscilações nos valores de leitura das 
absorbâncias, culminando então, em coleta de dados errôneos de seus valores. Este fator 
pode ser associado e atrelado a erros possíveis na execução do experimento. 
y = 146.43x + 0.9673
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045
Y
Tempo Espacial (h-1)
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 Os erros relacionados às medições estão intimamente ligados ao analista. Embora 
as alíquotas sejam retiradas da corrente de saída do reator CSTR no momento exato, até 
que são depositadas no espectrofotômetro – apesar de o analista trabalhar da maneira mais 
otimizada possível – ainda assim há reação entre o verde malaquita e o hidróxido de sódio 
dentro da cubeta. Logo o valor de leitura da absorbância naquele momento não condiz 
com o valor real de absorbância da amostra coletada diretamente da corrente de saída. 
Outros fatores de erro nos resultados obtidos estão atrelados aos arredondamentos 
numéricos no decorrer dos cálculos efetuados e também nas considerações de ordens 
reacionais e pseudo-ordens que podem não condizer com a realidade. 
 A prática foi, apesar dos erros e limitações apresentados, satisfatória em seu 
objetivo, de modo que, para o engenheiro químico, o conhecimento de mensuração da 
cinética de uma determinada reação, bem como o reator no qual a reação vai se processar 
é de suma importância para obtenção do melhor projeto. Os engenheiros químicos são 
justamente os profissionais aptos a este tipo deotimização em uma indústria química. 
 
5 REFERÊNCIAS 
 
FÁBREGA, F. M. Cálculo de Reatores I. (Apostila) Curso de Engenharia Química. 1. 
Ed. 2012. Jundiaí – SP. 
 
FOGLER, H. Scott. Elementos de Engenharia das Reações Químicas. 4. Ed. Rio de 
Janeiro: LTC, 2009. 
 
LEVESNPIEL, OCTAVE. Chemical Reaction Engineering. John Wiley & Sons – New 
York – 3rd edition, 1999.