Estudo da Distribuição de tempos de Residência no Ensino da Engenharia da Reações Químicas

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Ensino de Química

Autores

Costa Moreira, H. (UFPA) ; Vasconcelos Curcino, I. (UFPA) ; Carolina Monte Almeida, A. (UFPA) ; Fernando da Paixão Ribeiro, N. (UFPA)

Resumo

A análise da Distribuição do Tempo de Residência (DTR) é uma técnica utilizada para diagnosticar o funcionamento de reatores, modelar o processo de forma mais eficaz e prever as principais propriedades de saída da corrente efluente. Devido à importância desta análise faz-se necessária sua implementação em disciplinas laboratoriais dos cursos de química industrial, engenharia industrial e principalmente engenharia química, de modo a apresentar de forma prática os conceitos apresentados em sala de aula. Assim, estudou-se o reator do tipo tanque agitado (CSTR) utilizando azul de metileno como traçador em modo degrau positivo. O perfil de escoamento foi avaliado aplicando diferentes modelos uni ou bi paramétricos, coma discriminação dos modelos realizadas através do erro quadrático médio.

Palavras chaves

DTR; CSTR; escoamento em reatores

Introdução

No estudo inicial de reatores químicos fazem-se algumas considerações necessárias de modo a simplificar o processo físico e matemático e assim introduzir de forma mais acessível o conteúdo aos alunos, definimos então os reatores ideias. Contudo, no mundo real ocorrem significativos desvios do comportamento esperado e desta forma é necessário ter em mãos métodos capazes de diagnosticar e modelar tais não idealidades e assim prever as variáveis de saída. Há diversos fatores causadores de não idealidades e esta análise deve ser feita caso a caso. O perfil de escoamento em reatores reais pode afastar-se drasticamente do perfil de reatores ideais, uma vez que cada elemento de fluido percorre caminhos diferentes e, portanto, possuem tempos de saída diferentes. Essa discrepância pode ser causada por zonas de refluxo, zonas mortas, desvio, alta e baixa circulação com interconexão, caminhos preferenciais, etc. Estas não idealidades estão associadas a unidades de maiores dimensões, processamento de misturas viscosas causando uma quebra significativa do rendimento geral. A DTR é uma técnica aplicada a diferentes tipos de reatores sendo possível diagnosticar o seu funcionamento, modelar o processo de forma mais eficaz e prever as principais propriedades de saída da corrente do reator: concentração, conversão e seletividade (SCHMAL, 2013). Devido à importância desta análise faz-se necessária sua prática em disciplinas laboratoriais dos cursos de química industrial, engenharia industrial e principalmente engenharia química, de modo a apresentar os conceitos apresentados em sala de aula. Este artigo apresenta um arranjo de baixo custo e de fácil montagem. Assim, estudou-se o reator do tipo CSTR aplicando diferentes modelos para determinar a DTR e avaliar o perfil de escoamento.

Material e métodos

O reator foi concebido para trabalhar com diferentes regimes de escoamento em função do ponto de coleta do efluente bem como do regime de agitação. Com isso o experimento consiste em analisar três casos para coleta do efluente: saída inferior (regime perto do ideal), saída lateral inferior (regime com volumes mortos) e saída lateral superior (regime com volume morto e desvio de fluxo), além de duas situações de agitação: a 1 cm do fundo (caso mais ideal para saída de fundo) e no meio do reator (caso com retro mistura) variando a agitação da seguinte forma 150, 300 e 450 rpm. O experimento se inicializa pelo preparo de 20 litros da solução traçadora, utilizando azul de metileno como marcador. Em seguida se estabiliza o sistema preenchendo com água destilada fazendo o ajuste/medição da vazão volumétrica do efluente do reator. Ao alcançar regime estacionário inicia-se o experimento acionando-se o cronômetro e trocando a alimentação de água para a solução marcada. A coleta do efluente é realizada em tempos pré- determinados e o experimento finaliza quando não se distinguir mais a concentração da solução de entrada e saída. O tempo de execução desse experimento é de aproximadamente uma hora, podendo ser realizado por grupos de dois/ três alunos.

Resultado e discussão

A avaliação de reatores reais pode ser feita por modelos uni ou bi paramétricos, podendo representar um CSTR real por vários modelos dependendo do perfil do escoamento. Esta modelagem deve ser realizada de modo a considerar a dispersão que ocorre no sistema. No trabalho 4 modelos foram avaliados: reator ideal, reator CSTRs em série, CSTR apresentando volume morto e uma fração de escoamento com desvio, e por fim dois CSTRs interconectados representado um sistema com diferentes regimes de mistura. As funções DTR que caracterizam cada modelo podem ser obtidas por um balanço material em relação ao traçador, obtendo assim o perfil de concentração em função do tempo. Uma vez que, que neste trabalho foi realizado o experimento na forma de degrau obtém-se diretamente a função acumulativa F(t) pela razão da concentração do efluente e contração inicial,com sua diferenciação sendo a função tempo de residência. Para ilustrar os resultados experimentais obtidos a figura 1, 2 mostram a influência da agitação no escoamento quando se trabalha com a coleta do efluente do reator através da saída de fundo. O primeiro passo para a integração dos conceitos apresentados em sala de aula com a prática experimental é avaliar os momentos da DTR em função dos dados experimentais obtidos. Nesta etapa uma discussão sobre a dispersão e assimetria do escoamento é realizada para explicar os desvios do tempo espacial (τ) quando comprado com o tempo médio de residência (tm), Seguido de uma discussão sobre de discriminação estatística dos modelos (FOGLER, 2009). Em resumo, esse experimento permite que os alunos visualizem o perfil de escoamento em reatores químicos, bem como as possíveis causas de não idealidades muitas vezes encontradas em unidades industriais.

Conclusões

Com a utilização de materiais de PVC baratos e simples foi possível com pouco mais de R$ 100,00 montar um reator do tipo CSTR que permite mostrar a importância do perfil de escoamento, através da análise da DTR, na avaliação de reatores químicos. A abordagem da DTR, é possível mostrar para os alunos um meio de entender os fenômenos físicos presentes e estimar os parâmetros dos modelos matemáticos como conversão fracional e seletividade. Entretanto, o estudo da DTR pode ser facilmente estendido a outras áreas da engenharia como em pasteurizadores, trocadores de calor, avaliação de lagoas, etc.

Agradecimentos

Referências

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

HILL, C. G. An Introduction to Chemical Engineering Kinetics & Reactor Design, Canada Wiley, 2014.

LEMOS, F. LOSPES, J. M. RIBEIRO, F. R. Reactores Químicos, Lisboa Editora PRESS, 2014.

MENDES, A. M. M. Laboratórios de Engenharia Química, Porto Editora FEUP edições, 2002.