ÁREA: Físico-Química

TÍTULO: Determinação do Mecanismo de Reação para a Produção de Gesso em Leito Fluidizado

AUTORES: Henauth, R.C.S. (UNICAP) ; Vasconcelos, R.S. (UNICAP) ; Santos, V.A. (UNICAP)

RESUMO: Foi produzido gesso beta em reator de leito fluidizado para determinação de parâmetros cinéticos da reação de desidratação térmica do minério gipsita. Os reatores de leito fluidizado comportam-se como um reator do tipo mistura perfeita (CSTR) para sistemas heterogêneos do tipo gás-sólido, líquido-sólido ou gás- líquido-sólido. No presente trabalho a gipsita triturada fica em suspensão, com auxílio de um gás aquecido, convertendo-se em gesso beta. Com as definições prévias da massa inicial e da granulometria média das partículas do leito os parâmetros cinéticos foram determinados variando-se o tempo e observando-se a conversão da reação. Obteve-se curvas de conversão em função do tempo para diferentes temperaturas, permitindo uma estimativa da ordem da reação.

PALAVRAS CHAVES: Gesso; Leito Fluidizado; Regressão Não Linear

INTRODUÇÃO: A definição de condições necessárias para estudar a cinética de uma reação passa pelo projeto e execução de uma série de experimentos a partir dos quais se possa realizar análises criteriosas com auxílio dos resultados obtidos. Vê-se dessa forma que o papel do arranjo experimental utilizado é de fundamental importância, tanto para fornecer dados bem representativos do sistema, como para facilitar a interpretação dos mesmos na definição de etapas posteriores do trabalho (SANTOS, 1996). No caso particular das reações sólido-fluido não- catalíticas, como é o caso da desidratação térmica da gipsita, para obtenção de gesso beta, a literatura recomenda a realização de testes preliminares onde se possa eliminar ou minimizar a influência das condições experimentais, especificamente, comparar os dados obtidos a diferentes granulometrias. Tal procedimento tem o objetivo de determinar o intervalo de granulometria no qual a reação de desidratação ocorra praticamente independente das dimensões da partícula sólida (KOGA; CRIADO, 1998). Quando as dimensões das partículas são bastante reduzidas não se espera que o efeito da temperatura sobre a velocidade seja tão acentuado como na condição de dimensões consideráveis (VALENCI, 1950). Realiza-se neste caso corridas isotérmicas em diferentes faixas de temperaturas, com a preocupação de se obter respostas para questões como: Quais as condições de temperatura recomendadas para a reação ?; Como a conversão varia com essas condições ? O objetivo do presente trabalho é utilizar a estrutura de um reator de leito fluidizado para a determinação de parâmetros cinéticos da reação de desidratação térmica da gipsita, por apresentar excelentes coeficientes de transferências de massa e calor (FOGLER, 2009).

MATERIAL E MÉTODOS: O reator de leito fluidizado é semelhante ao CSTR (Continuous Stired Tank Reactor) no sentido de que seu conteúdo, embora heterogêneo, é bem misturado, resultando em uma distribuição homogênea de temperatura através do leito. Pode ser catalítico ou não-catalítico (LAMBERT et al., 1977). A temperatura é relativamente uniforme através do leito, evitando-se por conseguinte, os pontos quentes. Permite ainda grandes velocidades de reação, comparados aos reatores de leito fixo, devido à uniformidade do leito, favorecendo o transporte de energia decorrente da fluidez. Ar comprimido aquecido por resistência elétrica entrava na base do reator de laboratório e fluidizava o leito com massa de 20 g, composto por partícula de gipsita com diâmetro médio de 0,00015 m (SANTOS, 1996). As corridas foram realizadas com temperaturas de 100 ºC, 110ºC, 120ºC, 130ºC e 140 ºC, todas a uma pressão 100 mm H2O. Uma forma recomendada para se estudar reações gás-sólido não catalítica é a de medir a conversão do sólido original e confirmar o ajustes de um modelo matemático a dados experimentais em uma das equações utilizadas por Criado, Morales e Rives (1978): R2=1-(1-α)^1/2 (1) R3=1-(1-α)^1/3 (2) Ou F1=(1-α) (3) Caso o modelo adotado para a reação de desidratação da gipsita obedeça a uma dessas expressões analíticas, a reação teria como mecanismo o avanço da interface em duas ou três dimensões, simbolizados por R2(α) e R3(α), respectivamente, ou mecanismo de primeira ordem simbolizado por F1.

RESULTADOS E DISCUSSÃO: Valores da conversão da reação foram calculados a partir dos teores de água combinada, determinados em amostras de gesso retiradas do reator após cada corrida. Foram então confeccionadas isotermas apresentadas pelo gráfico da Figura 1 com auxílio do software Statistica, ao mesmo tempo em que os modelos não mecanísticos das Equações 1 e 2 eram ajustados aos dados experimentais, conforme a tabela da Figura 2. Pode-se notar na Figura 1 que os comportamentos apresentados pelas isotermas caracterizam-se por formas suaves, sem a presença de patamares intermediários; os quais poderiam indicar o surgimento de outras formas de produtos, além do semi-hidrato. Observa-se ainda que as corridas realizadas em temperaturas mais baixas necessitam de maior tempo para alcançarem os mesmos valores de conversão em relação àquelas realizadas em temperaturas mais altas. Simultaneamente à confecção dos gráficos, o Statistica forneceu ainda os respectivos coeficientes de correlação e as variâncias explicadas associadas.

Isoterma de conversão em função do tempo

Comportamento das isotermas

Representação do mecanismo de reação

Ordem de prioridade para a adoção dos modelos e os parâmetros estatísticos utilizados na escolha

CONCLUSÕES: Com auxílio de modelos matemáticos apropriados, ficou confirmado que um mecanismo do tipo reação de primeira ordem seria o mais adequado para explicar o comportamento da reação a temperaturas próximas de 100 ºC. Para temperaturas na faixa de 110 ºC a 140 ºC, a melhor opção foi a representação do mecanismo da reação pelo controle da velocidade da reação através do avanço da interface a duas dimensões. Como segunda opção tivemos o mecanismo de avanço da interface a três dimensões.

AGRADECIMENTOS: Os autores são gratos a Universidade Católica de Pernambuco - UNICAP pela oportunidade de participação no 52º Congresso Brasileiro de Química.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: CRIADO, J. M.; MORALES, J.; RIVES, V., Computer kinetic analysis of simultaneously obtained TG and DTG curves., Journal of Thermal Analysis, Vol. 14 221-228 1978.

FOGLER, H. S., Elementos de Engenharia das Reações Químicas. Rio de Janeiro: LTC, 2009.

KOGA, N.; CRIADO, J. M., Kinetic analyses of solid-state reactions with a particle-size distribution. J. Am. Ceram. Soc., 81 (11) 2901-2909 1998.

LAMBERT, M.; GSGNAIRE, H.; GUILHOT, B.; SOUSTELLE, M. Etudes de reactions heterogenes en lit fluidise, Journal of Thermal Analysis, Vol. 12 341-350 1977.

RODRIGUES, M. I.; IEMMA, A. F., Planejamento de Experimentos e Otimização de Processos. 1ª Ed. Campinas, SP: Casa do Pão Editora, 2005. 325p.

SANTOS, V. A., Análise cinética da reação de desidratação térmica da gipsita na obtenção do gesso beta. Tese de Doutorado. Departamento de Engenharia de Sistemas Químicos e Informática. Universidade Estadual de Campinas. Campinas: 1996. 170 p.

VALENSI, G., Analysis of the methods of interpreting reactions of a gas with a solid to form another solid, J. Chim. Phys., 47 , 487-505,1950.