Reação de óxido de alumínio e ácido sulfúrico_Sulfatodealuminiohidratado

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI 
CAMPUS ALTO PARAOPEBA 
 
 
 
 
 
 
 
Reação de óxido de alumínio e ácido sulfúrico em meio aquoso para a produção de 
sulfato de alumínio hidratado 
 
Relatório técnico apresentado como parte das 
exigências da disciplina Projeto de Reatores sob 
responsabilidade do Prof. Dr. Fabiano Luiz Naves. 
 
 
 
 
 
Karina Takai Pereira 
Marcela Magalhães de Paula 
Thalyta Fonseca Silva 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ouro Branco – MG 
Maio/2018 
2 
 
RESUMO 
O tratamento da água ocorre em etapas e envolve processos químicos e físicos e existem 
diferentes indústrias e processos que visam o tratamento da água e efluentes. A Indústrias 
Químicas Cataguases Ltda. é uma empresa cuja atividade consiste na fabricação de 
produtos químicos para em fim. Um de seus produtos o sulfato de alumínio é utilizado na 
etapa de coagulação e é formado a partir da reação de óxido de alumínio e ácido sulfúrico 
em meio aquoso. A fim de investigar a diferença de comportamento dos reatores CSTR 
e PFR para esta reação utilizou-se o programa Microsoft Excel® simulando a produção 
de uma indústria real, a fim de obter a melhor vazão e a melhor conversão para ambos 
reatores. Dois estudos de casos foram realizados (Case 1 e 2) utilizando duas 
concentrações iniciais diferentes de óxido de alumínio, variando apenas a vazão de 
alimentação. Obteve-se com o estudo que o reator PFR obteve valores de conversão 
maiores que o do reator CSTR, mostrando que o reator tubular é a melhor escolha para o 
âmbito industrial em relação aos parâmetros de concentração e vazão. 
 
Palavras-chave: Sulfato de alumínio, CSTR, PFR. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
1. INTRODUÇÃO................................................................................................... 4 
2. OBJETIVOS......................................................................................................... 5 
 2.1. OBJETIVO GERAL..................................................................................... 5 
 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS........................................................................ 6 
3. METODOLOGIA................................................................................................ 6 
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES....................................................................... 6 
5. CONCLUSÕES.................................................................................................... 13 
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................. 14 
7. ANEXO I – MEMORIAL DE CÁLCULO ......................................................... 15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
A água presente na natureza possui a necessidade de tratamento para que possa ser 
utilizada sem contaminantes. O tratamento da água ocorre em etapas e envolve processos 
químicos e físicos. Existem diferentes indústrias e processos que visam o tratamento da 
água e efluentes a fim de tornar a mesma apta para posterior utilização (CESAN, 2011). 
A Indústrias Químicas Cataguases Ltda é uma empresa cuja atividade consiste na 
fabricação de produtos químicos para tratamento de água. Localiza-se no município de 
Nova Lima/MG, está em operação desde 1982. Os produtos fabricados pela empresa são: 
sulfato de alumínio, sulfato ferroso clorado líquido, sulfato de alumínio isento de ferro e 
cloreto férrico (FEAM, 2008). O processo de fabricação do sulfato de alumínio da 
Indústrias Químicas Cataguases Ltda está disposto no fluxograma a seguir: 
 
 
Figura 1: Fluxograma do processo de produção do Sulfato de Alumínio 
Fonte: INTEGRAD, 2013. 
 
 
O sulfato de alumínio é comumente adicionado na etapa de coagulação, com o 
objetivo de aglomerar as partículas para que, aderindo umas às outras, formem flocos e 
possa ser posteriormente decantada (CESAN, 2011). De acordo com o fluxograma acima, 
em 1 são inseridos no sistema bauxita, para a retirada do óxido de alumínio, em 2 ácido 
sulfúrico e a suspensão em meio aquoso reagem para a formação de sulfato de alumínio 
diluído, este passa por um processo de decantação e ocorre a retirada em 7 de sulfato de 
alumínio e por 8 torta de insolúveis. A produção ocorre de acordo com a reação 1. 
 
 Al2O3 + 11H2O + 3H2SO4 Al2(SO4)3 + 14H2O (1) 
 
5 
 
 Essas reações podem ser processadas em reatores, como exemplo, o reator tanque 
agitado contínuo (CSTR, Continuous stirred tank reactor), neste um ou mais reagentes 
fluidos são introduzidos, é equipado com um agitador fazendo a mistura contínua dos 
reagentes, assegurando a homogeneização dos mesmos, enquanto possui uma saída para 
a remoção dos produtos. Este equipamento pode ser utilizado de forma isolada ou com 
uma bateria de reatores em série, a fim de proporcionar uma alta conversão (FÁBREGA, 
2012). O reator CSTR está representado na figura 2 a seguir. 
 
 
Figura 2: Reator CSTR 
 Fonte: Fábrega, 2012. 
 
O reator tubular ou o reator de fluxo pistonado (PFR, Plug Flow Reactor) é um tubo 
cilíndrico no qual um ou mais reagentes fluidos são bombeados e a reação química ocorre 
ao longo do tubo. O escoamento do fluido é ordenado (fluxo pistonado), não havendo 
mistura ou sobreposição de nenhum elemento de volume no seu interior. Comumente 
produz a conversão mais alta por volume de reator, entre os reatores com escoamento 
contínuo, neste também pode-se inserir os reagentes em diferentes pontos do tubo, a fim 
de obter maior eficiência do processo e reduzir custos (FÁBREGA,2012). 
 
 
Figura 3: Reator PFR 
 Fonte: Fábrega, 2012. 
 
 
 
2. OBJETIVOS 
2.1. Objetivo Geral 
Investigar a diferença de comportamento dos reatores CSTR e PFR para a reação de 
óxido de alumínio e ácido sulfúrico em meio aquoso a fim de produzir sulfato de alumínio 
hidratado com o valor da temperatura e K real constantes. 
6 
 
2.2. Objetivos Específicos 
Realizar os testes no programa Microsoft® Excel® implementando para os reatores 
CSTR e PFR, simulando a produção de uma indústria real, a fim de obter a melhor vazão 
e a melhor conversão para ambos reatores. Além de verificar possíveis melhorias que 
poderão ser analisadas durante o processo de simulação. 
 
3. METODOLOGIA 
O presente trabalho visa investigar a diferença de comportamento dos reatores CSTR 
e PFR para a reação de óxido de alumínio e ácido sulfúrico em meio aquoso a fim de 
produzir sulfato de alumínio hidratado com o valor da temperatura e K real constantes. A 
fim de obter a melhor vazão e a melhor conversão para ambos reatores. Para isso, foram 
realizados testes no programa Microsoft® Excel® implementando para os reatores CSTR 
e PFR, simulando a produção em escala uma industrial real. 
Inicialmente verificou-se a equação da velocidade de reação, apresentando-se como 
uma reação de primeira ordem, utilizando as ferramentas do programa montou-se uma 
tabela com dados de volume do reator, concentração inicial e final, vazão, tempo espacial, 
valor da variação de volume (є) e conversão para cada reator. O volume do reator e suas 
dimensões foram calculados através da produção das Indústrias Químicas Cataguases 
Ltda com uma produção de 3500 t diárias, assim pode-se estimar as dimensões e volume 
dos reatores. A temperatura para o cálculo do valor de K também foi baseado em artigos 
que apresentavam a reação entre 100ºC-110ºC sendo escolhida a média desses valores 
105ºC. Os valores de vazão e concentração iniciais foram estimados de acordo com o 
processo. 
 
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 
A fim de determinar um estudo comparativo do desempenho dos reatores CSTR e 
PFR, foram implementados dois cases. No case 1, foram testados valores de concentração 
inicial e vazões utilizandocomo parâmetro o tempo espacial e conversões aceitáveis. No 
case 2, baseou-se no volume de produção requerido pela empresa. 
A constante de velocidade da reação 1 baseou-se na metodologia adotada por (Hirato 
et. al, 2013). Em seu trabalho, no qual a equação de Arrhenius (Equação 1) fora adotada 
para o cálculo da constante, verificou-se que o valor de K era dependente dos valores de 
temperatura e concentração do ácido. 
 
7 
 
 𝐾 = 𝐴𝑒−
𝐸𝑎
𝑅𝑇 (2) 
 
Com base na equação 1 e nas relações de diluição do Al2O3 em H2SO4 os autores 
plotaram os gráficos presentes na figura 4 e obtiveram uma equação para a constante de 
velocidade, conforme equação 2. 
 
 𝐾 = 𝑘0′𝑒
−
𝐸𝑎
𝑅𝑇𝐶𝑚 (3) 
 
Sendo Ea (kJ/mol); R (8,314 × 10−3kJ/mol K); T (K); C (mol/L); 𝑘0′ ou A (constante 
pré-exponencial), K (s-1). 
 
 
Figura 4: Gráficos utilizados para verificar os valores de K. Fonte: Hirato et. al, 2013. 
 
A partir das curvas plotadas, utilizou-se como referência um valor ótimo de 
coeficiente linear (𝑘0′) e para m. Diante disso, o valor de K pode ser calculado conforme 
a equação 3: 
 
 𝐾 = 1,2299 × 1013𝑒−
15482
𝑇 𝐶0,41 (4) 
8 
 
No presente trabalho foram utilizados dois valores de K tendo em vista as duas 
modelagens propostas. Pela relação de proporção de Proust a concentração de ácido seria 
três vezes menor que a concentração inicial de óxido adotada. 
 
4.1. Case 1 
O case 1 focou em analisar os valores obtidos de tempo espacial e conversão final 
quando se varia e analisa a concentração inicial e a vazão de alimentação dos reagentes. 
Sabendo que o tempo espacial é definido como tempo necessário para se processar um 
volume de alimentação, quanto maior o tempo, maior é o valor de conversão obtido pela 
reação. Somado a isso, o tempo total foi calculado para validar o processamento da 
reação, somando o tempo espacial e o tempo de reação, podendo observar que para o 
reator PFR obteve-se valores bem próximos desses dois tempos, mostrando a efetividade 
em que a reação ocorre ao longo do volume de controle tubular e já o CSTR obteve 
resultados de tempo de reação menor que o tempo espacial, indicando que existe um 
tempo vacante de reação durante a passagem pelo tanque de mistura. 
Dessa forma, baseando em um volume de reator que consiga cumprir com a 
capacidade de produção da empresa variando os parâmetros, obteve-se que a 
concentração de 30000 mol/m³ forneceu valores de conversões aceitáveis para essa 
produção, então o fixou e variou-se 20 pontos da vazão de entrada (entre 0,027 m³/s e 
0,007 m³/s). Os gráficos de análises de conversão com tempo espacial e vazão indicam 
que o reator tubular apresentou melhor eficiência produtiva em relação ao reator de 
mistura, já que se atingiu-se maiores valores de conversão. 
O primeiro gráfico comparativo foi de conversão por tempo espacial, indicando que 
para um mesmo tempo de processamento, o PFR fornece melhores valores de conversão 
em relação ao CSTR, tendo uma diferença superior para tempo espaciais maiores. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9 
 
Gráfico 1: Conversão versus Tempo Espacial para reatores PFR e CSTR para o Case 1. 
 
 
Outra análise comparativa advinda da variação de vazão aplicada no case 1 é a 
influência da própria vazão em relação a conversão, mostrando que o CSTR se distancia 
de praticamente 0,2 de conversão em relação ao PFR. 
 
Gráfico 2: Conversão versus Vazão para reatores PFR e CSTR para o Case 1. 
 
 
O último gráfico de análise foi a relação da velocidade com a conversão, variando de 
acordo com a vazão de entrada. 
 
 
0,45
0,55
0,65
0,75
0,85
0,95
700 1200 1700 2200 2700 3200 3700
X
A
Tempo espacial (s)
Reator PFR Reator CSTR
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95
V
az
ão
 (
m
³/
s)
XA
Reator PFR Reator CSTR
10 
 
Gráfico 3: Conversão versus (Velocidade de Reação)-1 para reatores PFR e CSTR para o Case 1. 
 
 
Notou-se que, para o reator CSTR, tem-se menores conversões e que a velocidade de 
reação para esse tipo de reator não há grandes variações e influências se comparado com 
o comportamento da curva ascendente do PFR. Percebe-se que incialmente as curvas 
obtiveram valores similares, só que a avaliação para os pontos finais das curvas foi bem 
grande devido às altas conversões obtidas no PFR. Portanto, percebe-se que a vazão de 
entrada é um fator de maior influência para os reatores PFR do que reatores CSTR, já que 
a velocidade de reação diminui rapidamente para menores vazões, o que é 
justificadamente interpretado quanto ao formato do reator, já que o tubular tem grande 
influência dos regimes de escoamento ao longo da tubulação, sendo influenciado por 
exemplo pelo número de Reynolds, consequentemente, a vazão é um fator de grande 
importância para a realização da reação, enquanto o de mistura não possui tanta influência 
das interferências da forma em que o fluido se desenvolve ao longo do reator, 
demonstrado pela pequena inclinação da curva de velocidade de reação com a variação 
de conversão causada pela alteração de vazão. 
 
4.2. Case 2 
O sistema foi modelado com base na produção mensal da empresa, isto é, o valor 
encontrado pelo produto da vazão mássica e o tempo de reação total foi fixado em 13280 
kg, mantendo o mesmo volume dos reatores que no caso anterior. Com base nisso, a 
concentração de óxido inicial foi fixada em CA0 = 1199 mol/m
3 e uma vazão inicial de v0 
= 0,003 m3/s. 
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1
1
 /
 (
-r
A
) 
(s
.m
³/
m
o
l)
XA
Reator PFR Reator CSTR
11 
 
A fim de otimizar a produção o valor da vazão volumétrica foi modificado, e seu 
efeito foi analisado para os reatores CSTR e PFR, tendo como parâmetros conversão, 
tempo espacial, tempo de reação total e velocidade de reação. 
A primeira análise feita para essa parte do trabalho foi a de tempo espacial por 
conversão. 
 
Gráfico 4: Conversão versus Tempo Espacial para reatores PFR e CSTR para o Case 2. 
 
 
Percebeu-se que avaliando os mesmos valores de tempo espacial, o PFR apresentou 
melhor eficiência para a conversão na reação, assim como para a análise do Case 1, 
demonstrando que, industrialmente, o PRF é a melhor escolha em quesitos reacionais do 
que o CSTR. 
Outra análise realizada foi o de conversão por vazão de alimentação para os dois 
reatores. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
0,65
0,7
0,75
0,8
0,85
0,9
0,95
1
9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000
X
A
Tempo espacial (s)
Reator PFR Reator CSTR
12 
 
Gráfico 5: Conversão versus Vazão para reatores PFR e CSTR para o Case 2. 
 
 
Para essa observação, tem-se que a vazão cria diferentes comportamentos na 
conversão dos reatores, já que as curvas de distanciam bastante para as mesmas vazões, 
tendo um comportamento equacional até diferente em relação à concavidade de suas 
curvas. Diferentemente do Case 1, em que as curvas se comportam similarmente, o Case 
2, que aplica uma concentração de reagente menor, indica que a vazão tem claramente 
influência no processo da reação, sendo que para menores vazões as conversões se deram 
maiores, sendo para o CSTR uma tendência linear e para o PFR uma tendência côncava 
para baixo. 
 
Gráfico 6: Conversão versus (Velocidade de Reação)-1 para reatores PFR e CSTR para o Case 2. 
 
 
Após isso, verificou a velocidade de reação e seu comportamento frente a variação de 
vazão e, consequentemente, a variação de conversão. O reator CSTR apresentou um 
0,001
0,0015
0,002
0,0025
0,003
0,0035
0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1
V
az
ão
 (
m
³/
s)
XA
Reator PFR Reator CSTR
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1
1
 /
 (
-r
A
) 
(s
.m
³/
m
o
l)
XA
Reator PFR Reator CSTR
13 
 
comportamento linear da velocidade e com um coeficiente angular bem baixo, indicando 
baixas variações, enquanto o reator PFR apresentou um comportamento próximodo 
exponencial, demonstrando que houve uma diminuição drástica da velocidade da reação 
com a diminuição da vazão e aumento da conversão. Esses comportamentos se 
demonstraram bem divergente, uma vez que as conversões no CSTR são bem menores 
que o PFR e não chegam a atingir valores de conversão próximos de 100%. Assim, pode-
se afirmar que o reator CSTR apresenta uma uniformidade na rapidez da reação, enquanto 
o PFR apresenta uma desaceleração da reação para se obter conversões muito altas. 
 
Gráfico 7: Conversão versus Tempo total para reatores PFR e CSTR para o Case 2. 
 
 
A fim de avaliar o tempo de processamento da reação, calculou-se o tempo total pela 
soma do tempo espacial com o tempo de reação. O reator PFR obteve um tempo de reação 
muito maior que o CSTR, já que o seu valor se aproximou bastante do tempo espacial, 
indicando uma representação bem próxima do real para reatores contínuos. 
 
5. CONCLUSÃO 
O estudo para os reatores apresentou que o reator PFR obteve melhores conversões 
para o processo e que o seu tempo de reação se aproxima do tempo espacial, indicando 
uma boa aproximação para o caso real de reatores contínuos. Somado a isso, o reator 
CSTR apresentou valores mais baixos de conversão principalmente no Case 2, em que a 
concentração inicial de reagente é menor que no Case 2, indicando que para uma 
4
5
6
7
8
9
10
11
0,68 0,73 0,78 0,83 0,88 0,93 0,98
Te
m
p
o
 t
o
ta
l (
h
)
XA
Reator PFR Reator CSTR
14 
 
configuração boa para reatores de mistura seria de altas concentrações inicias e pequenas 
vazões de alimentação. 
 
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
CESAN. Disponível em: 
<http://www.cesan.com.br/wpcontent/uploads/2013/08/APOSTILA_DE_TRATAMEN
TO_DE_AGUA-.pdf > Acesso em 05 de maio de 2018. 
FÁBREGA. Disponível em :<http://material-apoio/reat-quim/reat-quim-apostila.pdf> 
Acesso em 06 de maio de 2018. 
FAEM. Fundação Estadual do meio ambiente. Indústrias químicas Cataguases. GEDIN 
nº 74/2008. Nova Lima. 
HIRATO, T.; N. Dissolution Behavior of Lab203, Pr203, Nd203, CaO and Al2O3 in 
Sulfuric Acid Solutions and Study of Cerium Recovery from Rare Earth Polishing Power 
Waste via Two-Stage Sulfuric Acid Leaching. The Mining and Materials Processing 
Institute of Japan. Materials Transactions, Vol 54, nº 5(2013) pp. 713 to 719, 2013. 
INTEGRAD. Superintendência Regional de Regularização Ambiental da zona da mata. 
Parecer único nº 0360418/2013. Juiz de Fora, 2013. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
http://www.cesan.com.br/wpcontent/uploads/2013/08/APOSTILA_DE_TRATAMENTO_DE_AGUA-.pdf
http://www.cesan.com.br/wpcontent/uploads/2013/08/APOSTILA_DE_TRATAMENTO_DE_AGUA-.pdf
http://material-apoio/reat-quim/reat-quim-apostila.pdf