LABORATÓRIO DE REATORES QUÍMICOS SIMULADOS

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1 LBORTÓRIO DE RETORES QUÍMICOS SIMULDOS Paulo Ernani Bauer 1, Clarissa Perdomo Rodrigues Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Química da Faculdade de Engenharia v. Ipiranga, Prédio 3 Sala Porto legre RS 1 bauer@eq.pucrs.br cperdomo@pucrs.br Resumo. elaboração de práticas de reatores é bastante difícil por algumas razões bem conhecidas: são poucas as reações que ocorrem em condições de temperatura e pressão e envolvendo substâncias seguras para serem realizadas por alunos e que apresentem resultados que não deixem dúvidas quanto à interpretação. Este artigo tem o objetivo de apresentar os resultados iniciais da aplicação do software Reactor Lab na disciplina de Cálculo de Reatores do curso de Engenharia Química da Faculdade de Engenharia da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul. Este programa foi desenvolvido pelo professor Richard K. Herz, da Universidade da Califórnia, para complementação das atividades das disciplinas relacionadas com a Engenharia das Reações Químicas e tem sido distribuído de forma gratuita. utilização de um software que simule as condições de um laboratório tem se mostrado segura, rápida e efetiva na transmissão dos conteúdos propostos, promovendo uma adequada interação teórico-prática. Neste trabalho é apresentada a metodologia empregada para a utilização do referido programa, suas características principais e os resultados parciais obtidos até o momento. Em continuação ao trabalho já desenvolvido, encontra-se em fase final de elaboração, em conjunto com o autor do programa, uma versão em Português. Palavras-chave: Reatores Químicos, Laboratório, Cinética Química MTE - 317

2 1. INTRODUÇÃO O conhecimento das reações químicas e sua aplicação industrial evoluiu, nos últimos 5 anos, de maneira extraordinária. Entretanto, a transmissão deste conhecimento aos futuros engenheiros químicos, principalmente em relação aos aspectos práticos, ainda apresenta alguns aspectos críticos. Uma das maiores dificuldades para a realização de aulas experimentais é o fato de que a maioria das reações apresentam condições de risco para os estudantes devido a exigência de elevadas condições de temperatura e pressão. Outra restrição prática é a dificuldade de serem encontradas reações químicas com uma boa reprodutibilidade dentro do erro comumente encontrado em equipamentos didáticos. Uma das soluções possíveis para contornar estes obstáculos é a simulação de experiências de reatores em computador. Entre as ferramentas disponíveis para este fim, uma é o programa Reactor Lab [1] que foi desenvolvido pelo professor Richard K. Herz (herz@ucsd.edu), do Programa de Engenharia Química, Departamento de Engenharia Mecânica e eroespacial da Universidade da Califórnia. Este programa tem sido utilizado pelo autor como atividade complementar para as disciplinas relacionadas com a Engenharia das Reações Químicas. O programa está em pleno desenvolvimento e atualmente propicia a realização de algumas tarefas e demonstrações necessárias ao curso. Este programa também está sendo aplicado, de maneira progressiva, na disciplina de Cálculo de Reatores do curso de graduação em Engenharia Química da PUCRS, com o objetivo de promover a interação teórico-prática desta disciplina.. DESCRIÇÃO GERL DO PROGRM O programa Reactor Lab está organizado em um diretório principal, conforme mostrado na Fig. 1, que apresenta cinco divisões. Figura 1 Tela principal do programa Reactor Lab Cada uma destas divisões apresentam laboratórios correlacionados a um determinado assunto. tela principal do programa,, apresenta o diretório com as divisões do lado esquerdo e os seus laboratórios aparecem do lado direito ao clicar em cima da divisão correspondente. maioria dos laboratórios possui reatores e reações onde experiências podem ser realizadas e os dados salvos para posterior interpretação, utilizando programas como o Excel, o Matlab ou o Polymath. Em geral, cada laboratório apresenta dois módulos, o primeiro denominado de regular, que é utilizado para o aprendizado e demonstração do comportamento dos reatores, e o segundo denominado de quiz onde é feita a avaliação deste aprendizado. Na parte superior da tela do programa há uma barra de navegação com os seguintes botões e suas respectivas funções: a) Info: fornece as informações sobre o programa e sobre o laboratório que estiver em uso. b) Note pad: bloco de notas para fazer comentários breves sobre a atividade realizada. c) Budget report: relatório emitido pelo módulo teste, com o qual é possível avaliar o desempenho do usuário. MTE - 318

3 d) Options: onde estão disponíveis as opções de operação do programa, como aviso sonoro para indicar o término do experimento, abertura automática do note pad, bordas decoradas dos botões de entrada e, ainda, escolher uma cor de fundo para cobrir o desktop. s informações sobre o desenvolvimento do programa estão disponíveis no ícone do canto superior direito das telas do programa. divisão 1 - Isothermal Reactors apresenta cinco laboratórios, nos quais é possível verificar o comportamento cinético de reações reversíveis e irreversíveis em reatores ideais (batelada, CSTR ou PFR) isotérmicos, com volume constante e variável, pressão variável, vazão variável. divisão - Catalytic Reactors apresenta 5 laboratórios que simulam uma reação isotérmica em reatores catalíticos. Os quatro primeiros representam uma reação irreversível de primeira ordem, e o último representa a reação trifásica da oxidação da glicose. divisão 3 - Thermal Effects apresenta 4 laboratórios, nos quais é possível verificar o efeito térmico no comportamento das reações. O primeiro laboratório apresenta a reação de oxidação do SO (reação exotérmica e reversível) e é baseado no exemplo 8-1 da Ref. []. O laboratório simula uma reação irreversível de primeira ordem em um reator PFR encamisado. Os laboratórios 3 e 4 simulam uma reação irreversível de primeira ordem em um reator CSTR, sendo que no primeiro a reação ocorre em estado estacionário e no segundo em regime transiente. divisão 4 - Flow Patterns apresenta laboratórios nos quais é representado o comportamento da função distribuição do tempo de residência. O primeiro laboratório compara o comportamento de um traçador inerte injetado na corrente de entrada dos reatores PFR e CSTR ideais. O segundo laboratório ilustra o comportamento do traçador ao passar no leito catalítico de um reator PBR. O primeiro laboratório da divisão 5 - Multiple Reactions apresenta o desenvolvimento teórico e a demonstração visual de como fazer um número mínimo de balanços e de como varia o número de moles das espécies químicas em reatores simples como Batelada, CSTR e PFR. O segundo laboratório demonstra a reação de oxidação do etileno com o objetivo de desenvolver um modelo cinético para o sistema reacional que apresenta três caminhos irreversíveis, a partir da análise dos resultados experimentais obtidos. Os dois últimos laboratórios simulam de forma dinâmica o comportamento de dois sistemas reacionais, o primeiro em paralelo e o segundo em série, com o objetivo de realizar os devidos ajustes para se obter o produto desejado. Em cada laboratório é realizada a variação dos dados de entrada com a finalidade de analisar os dados de saída, obtidos ao rodar o programa clicando no botão Run. Estes dados obtidos experimentalmente são apresentados na tanto na forma de gráfico como na forma tabular, a qual é possível ser salva em arquivo-texto, clicando no botão Save. Os arquivos de uma mesma sessão são gravados em um subdiretório com o nome session_(número da sessão) gerado automaticamente toda vez que se inicia o programa, este subdiretório se localiza no subdiretório Data_folder dentro do diretório que está gravado o programa. 3. PLICÇÃO Fig. mostra a tela inicial do laboratório 4 - Variable Flow Rate PFR da divisão 1 - Isothermal Reactors. Figura Tela inicial do laboratório 4 da divisão 1 MTE - 319

4 Este laboratório foi o escolhido para uma primeira aplicação do programa na disciplina de Cálculo de Reatores do curso de Engenharia Química da PUCRS. Este laboratório foi escolhido pois permite a recapitulação da determinação da cinética química, porém agora em reator contínuo. primeira turma a utilizar o programa apenas realizou demonstrações do comportamento cinético das reações, modificando e analisando os parâmetros das reações. Na turma posterior foi realizado um trabalho prático para avaliar a contribuição do programa à disciplina. partir do Menu de ajuda disponível no programa e de um Guia de Uso elaborado em português, foi montado um Roteiro de Prática, apresentando os passos para a utilização do módulo teste a partir do entendimento do módulo regular e análise dos dados. Este laboratório apresenta um reator PFR com volume constante e igual a 1 dm³ que simula uma reação gasosa irreversível de ordem n, com pressão constante e igual a 1 kpa, operando isotermicamente. Os valores de n podem ser -1,, 1 ou. alimentação do reator consiste em reagente puro e está na temperatura em que a reação ocorre. 3.1 Módulo Regular O estudo do comportamento da reação foi feito utilizando o módulo regular. Este estudo teve como primeiro objetivo verificar a influência de cada parâmetro cinético sobre a conversão durante a reação química. O segundo objetivo foi a obtenção de valores para os parâmetros cinéticos que forneçam um bom rendimento do processo (por exemplo, maior que 1%). Tab. 1 foi utilizada para resumir as atividades propostas. Tabela 1 Tabela de análise do comportamento das variáveis Variável umenta Diminui Não influi Valores Velocidade específica Energia de ativação Ordem da reação Coeficiente estequiométrico do Reagente Coeficiente estequiométrico do Reagente B Vazão de entrada Temperatura 3. Módulo Teste Para aferir a compreensão dos estudantes foi proposto a realização de um experimento do módulo teste. Neste módulo, os valores corretos da velocidade específica da reação, da energia de ativação e da ordem da reação são ocultos com os símbolos??? e diferem a cada execução do programa. Os valores dos coeficientes estequiométricos são preestabelecidos aleatoriamente pelo programa, sendo que geralmente implicam em reações com variação de volume. Nos dados experimentais é admitido um erro de mais ou menos %. Este módulo apresenta um relatório de orçamento, onde é gravado o histórico do teste realizado e o saldo obtido. Os experimentos possuem um custo de operação imaginário de $ 1, e cada resposta correta possui uma receita imaginária que é somado ao saldo. Dessa maneira é possível avaliar o desempenho do estudante. Para obter os dados experimentais executa-se o programa com uma temperatura da reação de 3 K, pois esta é a temperatura da velocidade específica, e uma vazão de entrada que forneça dados de conversão que apresentem uma significativa variação ao longo do reator. Estes dados depois de salvos com extensão txt pelo comando two são importados para o Excel para serem analisados através do método integral. Este comando separa em dois arquivos: o primeiro com os dados experimentais e o segundo com informações gerais sobre o experimento. O método integral consiste em integrar a Eq. 1 (equação de projeto do reator PFR): df dv = r ( 1) Onde: Diferenciando a Eq,, tem-se: F = F 1 ( ) ( ) df F = d ( 3) MTE - 3

5 Substituindo a Eq. 3 na Eq.1, tem-se: Integrando a Eq. 4, tem-se: F V = d dv = r ( 4) F d r ( 5) Como F é constante. V = F d r ( 6) equação da velocidade da reação é dada por: n r = kc ( 7) Com isso, o resultado da integral da equação de projeto será diferente para cada ordem da reação. concentração do reagente é calculada pela equação: C = C ( 1 ) ( 1+ ε ) ( 8) Quando a reação não possui variação de volume o valor de ε é zero. Para reação com variação de volume o ε é diferente de zero. ssim são obtidas 8 alternativas de equação a ser utilizada, quatro para reações sem variação de volume e quatro para reações com variação de volume. s equações são mostradas na Tab.. Tabela Equações de projeto para o reator PFR n ε = ε -1 = τ k kτ 1 ( ε Da = + 1) ( ) Da = = ln 1+ ε C C ε ε k Da = τ [ ] k = Da = τ = [ ] C C 1 Da k = [ ln1 ( )] Da = kτ = 1+ ε ln 1 ε [ ] = τ ( ) ( ) = = Da kτc Da = kτc = ε ( + ε ) ( ) + ε 1 ln ( ε + 1) 1 Para resolver este teste primeiro define-se o valor de ε pela Eq. 9: ε ( 9) b = 1 a análise dos dados experimentais é feita com a planilha mostrada na Fig. 3. Nesta planilha, montada no programa Excel, as três primeiras colunas são os dados provenientes do experimento realizado no programa Reactor Lab. Nas quatro colunas seguintes estão colocados os valores de k, calculados com as equações da última coluna da Tab., uma vez que ε. experiência realizada gera os valores da conversão, da vazão e da posição V ao longo do reator. Com este valores é possível calcular a velocidade específica para cada ponto experimental. Quando os valores calculados forem constantes e apresentarem um valor médio com um desvio máximo de %, o problema estará resolvido. ssim é possível retornar ao programa e entrar com os valores nos respectivos campos preenchidos com os símbolos???. MTE - 31

6 Uma vez definidos os valores da velocidade específica e da ordem da reação, é repetido o experimento com uma nova temperatura, para a determinação da energia de ativação. De acordo com a equação de rrhenius, a velocidade específica varia exponencialmente com a temperatura, conforme apresentado na Eq. 1: E RT ( T) = exp k (1) Planilha para Resolução do Módulo Teste C 4,93 mol/m 3 P 1, kpa 3, K T R,8 kpa * m 3 *mol -1 *K -1 ea 1, Dados experimentais n = -1 n = n =1 n = V_1 conv_1 flow_1 k k k k,,, 845,66,161,58,15,,5,1 737,683,135,551,15,4,91, 655,599 18,54,55,15,5,16,3 595,49 17,317,58,15,7,157,3 541,51 16,143,487,15,9,183,4 499,71 15,8,471,15,11,7,4 464,66 14,459,458,15,13,9,5 433,871 13,77,446,15,15,49,5 44,418 13,55,43,15,16,67,5 381,479 1,513,4,15,18,84,6 36,373 11,988,411,15,,99,6 34,36 11,55,43,15,,314,6 36,51 11,144,396,15,4,38,7 39,93 1,73,387,15,6,341,7 96,346 1,368,379,15,7,353,7 83,754 1,3,37,14,9,364,7 7,494 9,731,366,14,31,375,8 6,347 9,465,361,14,33,386,8 5,74 9,4,355,14,35,396,8 4,95 8,9,348,14,36,45,8 34,675 8,69,343,14,38,414,8 7,8 8,48,338,14,4,43,9 19,77 8,68,333,14,4,431,9 13, 8,74,39,14,44,439,9 6,38 7,878,34,14,46,447,9,6 7,697,3,14,47,454,9 194,64 7,59,316,14,49,461,9 189,358 7,373,31,14,51,468,9 184,7 7,1,38,14,53,474,3 179,583 7,77,35,14,55,481,3 Média 351,93 11,49,396,15 Máximo 845,66,161,58,15 Desvio (%) 58,368 48,155 31,853 4,58 Figura 3 Planilha Excel para análise dos dados gerados pelo programa Reactor Lab MTE - 3

7 o executar o programa com uma nova temperatura é obtido um novo valor para a constante da reação. Substituindo as temperaturas e os respectivos valores das velocidades específicas na equação de rrhenius linearizada é possível calcular a energia de ativação. 4. VLIÇÃO pós a aplicação da atividade proposta com o programa, foi pedido aos alunos para avaliarem o módulo utilizado e o material fornecido por uma escala de 4 níveis. Os níveis definem intervalos regulares correspondendo os níveis 1 e a posições negativas e 3 e 4 a posições positivas. Os percentuais apurados estão mostrados na tabela mostrada na Fig. 4: Figura 4 Planilha de avaliação do software Reactor Lab De acordo com o que foi respondido neste questionário entregue aos alunos foi possível concluir que: a. a apresentação do programa é clara e organizada; b. a apresentação gráfica do programa facilita a sua utilização; c. a apresentação gráfica do programa é organizada e clara; d. os botões, menus e ícones são claros, possuem boa organização, facilitam a utilização do programa e são eficientes; e. programa possibilita exercitar o conhecimento adquirido; f. programa favorece a compreensão do conteúdo proposto; g. programa apresenta a dificuldade de ser em inglês; h. programa contribui para a compreensão do conteúdo; i. roteiro de prática está organizado; j. roteiro de prática facilita a utilização do programa. O questionário também apresentou uma questão de resposta aberta, onde foi pedido a opinião dos estudantes em relação aos aspectos positivos e negativos da atividade realizada e o que poderia ser modificado. O aspecto que mais dificultou a utilização do programa foi a língua na qual o programa é elaborado, uma vez que os alunos não possuem o domínio da língua inglesa. 5. CONSIDERÇÕES FINIS Neste trabalho foi apresentada uma alternativa visando a utilização da simulação computacional de reatores químicos. Esta abordagem apresenta características de segurança, rapidez e participação efetiva em relação às práticas de laboratório. Para isto, foi utilizado o programa Reactor Lab. principal restrição quanto a esta aplicação foi a barreira do idioma inglês. Para sobrepor esta barreira, está sendo concluída, em conjunto com o autor do programa, uma versão em Português. continuação do presente trabalho, prevê aplicações de outros laboratórios em diferentes etapas da disciplina de Cálculo de Reatores. 6. REFERÊNCIS BIBLIOGRÁFICS [1] The Reactor Lab, [] H.S. Fogler, Elements of Chemical Reactor Reaction Engineering, Prentice Hall, NJ: 74568, p MTE - 33