4.1.1. Constante Cinética da Reação Direta
Os dados estimados para as constantes cinéticas em cada uma das condições experimentais encontram-se na Tabela 4.
Tabela 4: Constante cinética da reação direta estimada, juntamente com as conversões calculadas obtidas, para 1,0mL/min e 0,5mL/min.
1,0 mL/min T (K) K1 (m³/mol.s) Conversão Experimental (%) Conversão Calculada (%) Erro (%) 573 2,10.10-5 22,77 22,71 0,26 623 8,05.10-5 61,86 61,75 0,18 673 1,50.10-4 82,56 82,66 0,12 0,5 mL/min T (K) K1 (m³/mol.s) Conversão Experimental (%) Conversão Calculada (%) Erro (%) 573 1,14.10-5 24,29 24,39 0,41 623 9,96.10-5 89,82 89,80 0,02 673 2,13.10-4 98,95 98,99 0,04 Fonte: Autor.
Tabela 5: Dados obtidos após aplicação do inverso da temperatura e do logaritmo natural da constante cinética, necessários para obter a equação indicada pela Lei de Arrhenius.
1,0mL/min 0,5mL/min 1/T ln (K1) ln (K1) 1,745.10-3 -10,77 -11,38 1,605.10-3 -9,43 -9,21 1,480.10-3 -8,80 -8,46 Fonte: Autor.
Os dados presentes na Tabela 5 permitiram obter a relação entre a constante cinética e temperatura pela Lei de Arrhenius para as duas condições empregadas no
42 Capítulo 4 – Resultados e Discussões
estudo. É perceptível que os dados referentes ao logaritmo da constante cinética, para uma mesma temperatura, apresentam pequenas variações de uma vazão para a outra, exceto pelos dados estimados à maior temperatura, cujos valores apresentaram maior erro.
Esses erros apresentados podem ser justificados pela estratégia adotada para obtenção da constante cinética. Para estimação de tais valores, somente dois dados foram fornecidos: a conversão inicial e a conversão final, além dos respectivos tempos para cada uma delas.
Sabendo que a taxa reacional é dependente do tempo e da temperatura, é esperado que, quanto mais dados correspondentes ao rendimento reacional no decorrer dessas variáveis forem disponibilizados, melhores ajustes serão obtidos para as constantes cinéticas. Além disso, é esperado que a obtenção dos dados cinéticos seja realizada em reatores do tipo batelada, pois nesses são considerados apenas os efeitos reacionais, diferentemente dos reatores tubulares, onde os fenômenos de transferência de massa também são considerados e podem impactar nas estimações.
Apesar das limitações, as linearizações fornecidas para as condições de 1mL/min e 0,5mL/min resultaram em coeficientes de correlação (R2) de 0,9698 e 0,9444, respectivamente, indicando bom ajuste para a faixa estudada.
A fim de averiguar os resultados obtidos, comparações foram realizadas entre esses e dados previamente reportados na literatura, apresentados por Farobie & Matsumura (2017). É importante mencionar que as constantes cinéticas reportadas pelo referido autor apresentam unidade inversa de tempo [min-1] pelo fato dessas constantes incluírem o produto da constante cinética genuína pela concentração do reagente em excesso, enquanto as do presente trabalho apresentam unidade [m³/(mol.s)].
Sendo assim, as constantes estimadas nesse estudo foram multiplicadas pela concentração do reagente em excesso (etanol) e, em seguida, realizada a cabível análise dimensional. A Figura 7 apresenta as devidas linearizações para cada conjunto de dados.
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Giovanny Silva de Oliveira Trabalho de Conclusão de Curso Figura 7: Linearizações fornecidas para os conjuntos de dados fornecidos pela literatura e pelo
presente trabalho.
Fonte: Autor.
Através da análise da figura acima, é possível destacar que o comportamento cinético para o leito com porosidade de 0,32, dado um mesmo conjunto de temperaturas, é semelhante àquele reportado por Farobie & Matsumura (2017), que aproximaram a cinética reacional por uma reação de pseudo-primeira-ordem. Porém, as constantes cinéticas estimadas para o presente trabalho apresentaram-se superiores àquelas apresentadas na literatura. Tal fato pode ser justificado pela intensificação do processo reacional promovido pela inserção do leito de inertes, corroborando com os dados reportados por Qiao et al (2017).
4.1.2. Coeficiente Global de Transferência de Calor e Calor de Reação
No que diz respeito ao balanço de energia, os dados para o coeficiente global de transferência de calor encontram-se na Tabela 6.
Tabela 6: Dados calculados para o Coeficiente Global de Transferência de Calor. T (K) Uhav (W/K)
573 0,169
623 0,141
673 0,116
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Conforme observado, os valores preditos para o coeficiente global de troca, considerando apenas o efeito de radiação, são inversamente proporcionais à temperatura. Além disso, os baixos valores desse parâmetro permitem inferir que esse termo apresenta pequena contribuição no balanço de energia. Esse fenômeno pode ser explicado pela consideração de que a troca de calor entre as fases ocorre apenas pela radiação, sendo o coeficiente de transferência de calor por convecção negligenciado em decorrência da presença do termo advectivo no balanço de energia para o fluido. Além disso, a abordagem utilizada para obtenção dos dados experimentais impossibilitou a estimação desse parâmetro, uma vez que não foram coletados dados de temperatura para o fluido.
A Figura 8 apresenta as curvas de resposta para a temperatura do fluido à temperatura de 573K, considerando a presença e a ausência dos parâmetros citados anteriormente.
Figura 8: Comparação entre a presença e ausência dos termos de troca térmica entre as fases e de energia reacional para o perfil de temperatura médio do fluido (TF), com temperatura máxima
do sistema de 573K e empregando vidro como inerte.
Fonte: Autor.
Conforme observado na Figura 8, praticamente não existem diferenças entre os perfis de temperatura para os dois casos considerados. Frente à contribuição do termo advectivo do balanço de energia, os dois parâmetros apresentam valores insignificantes e podem ser desconsiderados do modelo, possibilitando sua simplificação e justificando o comportamento observado anteriormente.
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Giovanny Silva de Oliveira Trabalho de Conclusão de Curso Por sua vez, o comportamento observado para o sólido difere daquele obtido para o fluido, conforme visualizado na Figura 9.
Figura 9: Comparação entre a presença e ausência dos termos de troca térmica entre as fases e de energia reacional para o perfil de temperatura médio das partículas, com temperatura máxima
do sistema de 573K e empregando vidro como inerte.
Fonte: Autor.
Diferentemente do observado para o fluido, é perceptível que o sólido é extremamente dependente da troca térmica entre as fases. Tal efeito pode ser explicado através da análise do balanço de energia para o sólido. Sem o termo referente à troca de calor, o sólido depende unicamente de sua condutividade térmica para aquecer, processo esse que ocorre de forma mais lentamente em decorrência de características térmicas do próprio material e que apresenta ordem de grandeza inferior à transferência de energia entre as fases, principalmente devido à diferença de temperatura entre o fluido e o sólido.