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.