ESTUDO EXPERIMENTAL DOS EQUILÍBRIOS ENTRE FASES COM APLICAÇÃO COMPUTACIONAL PARA O ENSINO DE TERMODINÂMICA PARA ENGENHARIA Antônio Ricardo Alencar Reis, Allan Miguel Franco de Amorim, Carlson Pereira de Souza, Raffael Andrade Costa de Melo RESUMO O estudo da termodinâmica das soluções vem, ao longo dos anos, se tornando cada vez mais importante para o melhor entendimento dos fenômenos ocorridos em pequenas ou grandes escalas. Para a Engenharia Química e de Alimentos o conhecimento de como se comportam os parâmetros físico-químicos das operações de solubilidade de dois sais, extração líquido-líquido e equilíbrio líquido-vapor são de fundamental importância para a Engenharia Química e de Alimentos e poderão ser úteis um dia aplicados nas suas respectivas áreas de atuação. Desta forma, na disciplina de Termodinâmica Experimental II, os alunos podem ver, avaliar e validar todo o conhecimento teórico visto em sala de aula, através dos diagramas de fases construídos pelos próprios alunos nas práticas laboratoriais. Posteriormente sendo possível se fazer uma avaliação dos resultados obtidos pela simulação computacional. A simulação é feita pelo software Aspen Plus, usando dos modelos termodinâmicos ideais de Peng-Robinson, UNIQUAC, UNIFAC, NRTL. Sendo o modelo desejado na avaliação dos dados escolhidos pelos alunos ou monitores de acordo com a proposta dos modelos, ou seja, com qual situação este melhor se adéqua. De acordo com os dados obtidos na simulação o aluno tem a liberdade de, no relatório, discutir as semelhanças ou discrepâncias com o modelo termodinâmico teórico, bem como os fatores que levaram a ocasionar possíveis discrepâncias. Palavras-chave: Termodinâmica, Simulação, engenharia. INTRODUÇÃO O curso de Engenharia Química da UFRN oferece cinco disciplinas na área de TERMODINAMICA que são Termodinâmica Fundamental, Termodinâmica do Equilíbrio, Termodinâmica Experimental I e Termodinâmica Experimental II, Termodinâmica dos Processos além de Fundamentos de Termodinâmica do Estado Sólido oferecida ao curso de Engenharia dos Materiais e a Termodinâmica
Experimental oferecida ao curso de engenharia de alimentos. Estas disciplinas formam juntamente com os três tipos de fenômenos de transporte (calor, massa e movimento) e as três operações unitárias, uma ferramenta importante para a formação do engenheiro químico e engenheiro de alimentos. Os alunos de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos cursam disciplinas de termodinâmica teóricas e teórica-experimental a qual tem como objetivo principal fazer com que o aluno estabeleça uma associação entre a teoria e a pratica através de aulas/experimentos envolvendo os principais conceitos da termodinâmica, em particular os três (3) equilíbrios entre fases (líquido-líquido, sólidolíquido e líquido-vapor), considerados essenciais para a compreensão das operações unitárias em Engenharia Química (destilação, extração liquido-liquido, extração solidoliquido, Cristalização, Evaporação). METODOLOGIA As metodologias a serem desenvolvidas estão relacionadas diretamente com a execução dos seguintes experimentos, previstos na disciplina (Termodinâmica Experimental II): Determinação do equilíbrio liquido-liquido envolvendo diagramas de fases dos tipos 1, 2 e 3 em que a miscibilidade entre os constituintes tem função determinante. A metodologia a ser empregada usa o cloud-point e medição de uma propriedade física da mistura que pode ser temperatura, densidade e condutividade ou índice de refração; Estudar o equilíbrio liquido-vapor (base dos processos de destilação) de misturas binárias e ternárias, usando o ebuliômetro de Othmer. Simulação computacional utilizando modelos termodinâmicos para os experimentos envolvendo os conhecimentos de equilíbrio de fases, citados anteriormente. Todas as atividades citadas acima mencionadas apresentam metodologia com caráter inovador, quer seja na natureza do experimento ou na forma de como os dados serão gerados e analisados. Os modelos termodinâmicos (UNIQUAC, UNIFAC, NRTL e equações de Peng-Robinson) serão usados no sentido de validar os resultados experimentais obtidos nos experimentos de equilíbrio de fases. Para esta simulação será utilizado o software Aspen Plus, da Aspen Technology Inc. Este programa terá a função de gerar dados a partir de modelos termodinâmicos citados a serem escolhidos pelos alunos.
RESULTADOS Os experimentos de Equilíbrio Líquido-líquido requerem os componentes: água, ácido acético e clorofórmio/querosene. Esta prática proporciona ao aluno o conhecimento da propriedade de miscibilidade entre os componentes, proporcionando à elaboração de diagramas ternários/diagramas de solubilidade, através dos quais se faz a compreensão dos limites de solubilidade entre os componentes. Gerando diagramas diferentes para cada sistema, neste caso, diagramas Tipo 1 e Tipo 2. Este experimento é utilizado em extrações de misturas de líquidos. Figura 1 - Diagrama de fases ternário (Tipo 1) para o sistema Água-Ácido Acético-Clorofómio.
Figura 2 - Diagrama de fases ternário (Tipo 2) para o sistema Água-Ácido Acético-Querosene. O experimento Equilíbrio Líquido-Vapor envolve os componentes água e ácido acético. Esta prática é muito importante para inúmeros processos industriais, pelo fato da utilização da destilação, sendo um dos mais importantes processos de separação. A separação de um componente de uma mistura requer um íntimo conhecimento das fases líquido-vapor em equilíbrio. Para tanto é elaborado um gráfico mostrando as composições do componente mais volátil em várias concentrações, onde se varia a temperatura de equilíbrio e mantém-se constante a pressão do sistema. Temperatura (K) 392 390 388 386 384 382 380 378 376 374 372 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Composições x,y Figura 3 - Gráfico de equilíbrio liquído-vapor do sistema binário Água-Ácido Acético.
A aplicação da simulação computacional é utilizada quando são colhidos os dados experimentais, como os apresentados acima. O software utilizado para simulação é o Aspen Plus da Aspen Technology Inc. Nele os alunos geram dados de simulam o que aconteceu na experiência, entretanto isentos de influência humana, que é o que acarretaria erros no experimento, ou seja, dados ideais. Abaixo seguem gráficos que exemplificam bem o papel da simulação computacional na comparação dos dados colhidos experimentalmente. 392 390 388 Temperatura (K) 386 384 382 380 378 376 374 372 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Composições x,y Figura 4 - Gráfico comparando resultados experimentais e resultados simulados (tracejado), para o sistema binário Água-Ácido Acético. Figura 5 - Gráfico comparando resultados experimentais e resultados simulados, para o sistema ternário Água- Ácido Acético-Clorofórmio.
CONCLUSÃO Concluímos que a utilização da simulação computacional na engenharia, em especial engenharias química e de alimentos, são de extrema importância para o aprendizado. Pois possibilita a visualização de como os fenômenos ocorrem e, em alguns casos, como deveriam ocorrer em condições ideais. BIBLIOGRAFIA SANDLER, S. I., Chemical and Engineering Thermodynamics. John Wiley & Sons, 2 nd edition, 1989. SMITH, J. M.; VAN NESS, H. C.; ABBOTT, M. M., Introdução à termodinâmica da engenharia química. Ed. LTC, Rio de Janeiro, 7ª Ed. 2007. LIMA, R. S. G; LUCENA, A. L.; SOUZA, C. P., Estudo experimental dos equilíbrios entre fases e medição de parâmetros termodinâmicos de substancias puras e de misturas: aplicação no ensino de termodinâmica para engenharia.