P5- DeterminaÇÃo DOS ParÂmetros CinÉticos DE ReaÇÃo EM UM Reator PFR - Prática PDF

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DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS CINÉTICOS DE REAÇÃO EM UM REATOR PFR RESUMO: Através da utilização do reator PFR, foi determinada a velocidade específica e a energia de ativação dessa reação. A coleta dos dados foi feita a partir da coloração apresentada ao longo da reação com o auxílio do espectrofotômetro. PALAVRAS-CHAVE: PFR, reação, conversão, taxa.

1. INTRODUÇÃO Os reatores de fluxo em pistão, também conhecidos como reator de fluxo pistonado, são usados para descrever reações químicas em sistemas de fluxo continuo, e a partir disso pode- predizer as principais variáveis do reator e determinar os parâmetros cinéticos da reação. Nesse tipo de reator o fluido é perfeitamente misturado na direção radial, porém não na axial de modo que à medida que fui, o tempo de residência do pistão é função da posição no reator.

Figura 1- Reator PFR.

A reação em estudo nesse trabalho é entre o verde de malaquita e o hidróxido de sódio:

C23H25ClN2 + NaOH → C23H25OHN2 + NaCl Através da coleta dos dados do experimento, foi encontrada a velocidade específica da reação e determinada a energia de ativação desta reação. Todos os cálculos foram realizados considerando a reação pela taxa reacional de cinética homogênea.

2. PARTE EXPERIMENTAL

2.1. Materiais utilizados 2.2. Metodologia 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A partir dos dados obtidos no procedimento descrito anteriormente, consegue-se os dados para a determinação da velocidade específica da reação entre o verde malaquita e o hidróxido de sódio.Na Tabela 1, encontram-se os dados obtidos para a confecção da curva de calibração. Tabela 1 – Dados de concentração do verde de malaquita versus absorbância Concentração (mol. L-1) 0.000035 0.00003 0.000021 0.000014 0.000007 0.0000035

Absorbância 0.942 0.817 0.591 0.374 0.207 0.096

A concentração inicial de verde malaquita foi de 0.00007 mol.L -1, e com os dados podese obter a seguinte curva de calibração: 0

Concentração / (mol.L-1)

0

f(x) = 0 x − 0 R² = 1

0 0 0 0 0 0 0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Absorbância

Figura 1 – Curva de calibração Através da regressão linear dos dados da curva de calibração, chega-se à seguinte relação entre a absorbância e concentração do verde de malaquita (Equação 1). −5 −7 Concentração=4. 10 ∙ Absorbância −4. 10 [ 1 ]

A partir da Equação 1 tem-se o seguinte conjunto de dados, Tabela 2. O procedimento foi feito variando a vazão volumétrica, como descrito anteriormente, e com isso a medida da absorbância para cada concentração específica de verde malaquita. O volume do reator, que é fixo, e de 0,7 L.

Tabela 2 – Concentração obtida através da curva de calibração v0(L.h-1) Absorbância Concentração (105 mol. L-1) 100 0,342 1,328 80 0,298 1,152 60 0,259 0,996 40 0,178 0,672 20 0,083 0,292 Para aplicar os dados ao reator utilizado utilizando os dados coletados no experimento, temos que trabalhar com o balanço no reator tubular para o reagente limitante, sendo considerando verde malaquita. Resultante do balanço, obtemos a Equação 2. d FA =r A [2] dV Mas a vazão volumétrica pode ser reescrita em termos de concentração de A e vazão volumétrica, como mostra a Equação 3. F A =c A ∙ v 0 [3] Então, substituindo a Equação 3 na Equação 2, tem-se a Equação 4. d C A . v0 =r A dV

[4]

Mas a vazão volumétrica é constante, então pode sair da derivada, então, temse a equação 5. v 0 .d C A =r A dV

[5]

No entanto, por definição, tempo espacial é dado pela razão entre o volume e a vazão volumétrica, como mostrado na Equação 6. V =τ [6] v0

Logo, podemos reescrevê-la em termos diferenciais, como demonstrado na Equação 7. dCA dτ

=− k .C A

αA

[7]

Mas das práticas anteriores, foi concluído que a reação é de primeira ordem, logo, α A=1 . Rearranjando os termos e integrando a Equação 7, tem-se a Equação 8, que resolvida resulta na Equação 9. τ dCA =− k . ∫ dτ [8] CA 0 C A 0 CA

∫

ln

C A0 =k . τ CA

[9]

Então, os dados obtidos pelo experimento e calculados pelas fórmulas acima, são expostos na Tabela 3.

v0(L.h-1) 100 80 60 40 20

Tabela 3 – Dados obtidos e calculados τ (h) Concentração dentro do reator Concentração (105 mol. L-1) (105 mol. L-1) 0,007 1,328 0,664 0,00875 1,152 0,576 0,0117 0,996 0,498 0,0175 0,672 0,336 0,035 0,292 0,146

A partir desses dados foi possível obter um gráfico de mostrado na Figura 2.

ln

C A0 versus CA

τ

ln 〖 〖� _�/� 0 _�〗 versus � 1.6

f(x) = 53.48 x − 0.33 R² = 0.99

1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.01

0.01

0.02

0.02

0.03

0.03

0.04

0.04

Através da regressão linear dos dados da curva de calibração, chega-se à seguinte relação (Equação 10). ln

0,00000664 =53,481. τ − 0,33 CA

[10]

Assim, pela linearização dos dados da tabela 3, resulta que a nova constante obtida pelo uso do método de pseudo-ordens, k* tem valor igual a 53,481 h-1. Portanto, k*=0,89135 min-1. Além do valor de k*, podemos obter, também, a energia de ativação da reação em uma temperatura diferente. A partir da equação de Arrhenius: k =k 0 exp

( −RTE ) [11 ]

Podemos relacionar matematicamente equações de Arrhenius em diferentes temperaturas de modo a obter uma expressão em função apenas da energia de ativação. Assim: k 1 −RTE + RTE =e [12 ] k2 1

2

Sendo k1=186,3 h-1, T1=273,15 K , k2= 53,481 h-1, T2=298,15 K e R=8,314 J. (mol.K)-1 temos que: E=33.801,17 J. mol-1.

4. CONCLUSÃO

5. REFERÊNCIAS...