Reator de fase líquida: Inversão de sacarose

Fonte: Kerry M. Dooley e Michael G. Benton, Departamento de Engenharia Química, Louisiana State University, Baton Rouge, LA

Tanto os reatores de fluxo em lote quanto os de fluxo contínuo são usados em reações catalíticas. Camas embaladas, que usam catalisadores sólidos e um fluxo contínuo, são a configuração mais comum. Na ausência de um extenso fluxo de reciclagem, tais reatores de cama embalados são tipicamente modelados como "fluxo de plugue". O outro reator contínuo mais comum é um tanque mexido, que se supõe ser perfeitamente misturado. ¹ Uma das razões para a prevalência de reatores de cama embalados é que, ao contrário da maioria dos projetos de tanques agitados, uma grande relação de área de parede para o volume do reator promove uma transferência de calor mais rápida. Para quase todos os reatores, o calor deve ser adicionado ou retirado para controlar a temperatura para que a reação desejada ocorra.

A cinética das reações catalíticas são muitas vezes mais complexas do que a simples^1ª ordem, 2ª^ordem, etc. cinética encontrada em livros didáticos. As taxas de reação também podem ser afetadas por taxas de transferência de massa - a reação não pode ocorrer mais rapidamente do que a taxa na qual os reagentes são fornecidos à superfície ou a taxa em que os produtos são removidos - e transferência de calor. Por essas razões, a experimentação é quase sempre necessária para determinar a cinética de reação antes de projetar equipamentos de grande escala. Neste experimento, exploramos como realizar tais experimentos e como interpretá-los encontrando uma expressão de taxa de reação e uma taxa aparente constante.

Este experimento explora o uso de um reator de cama embalado para determinar a cinética da inversão de sacarose. Essa reação é típica daquelas caracterizadas por um catalisador sólido com reagentes e produtos de fase líquida.

sacarose → glicose (dextrose) + frutose(1)

Um reator de cama embalado será operado a diferentes taxas de fluxo para controlar o tempo de espaço, que está relacionado ao tempo de residência e é análogo ao tempo decorrido em um reator de lote. O catalisador, um ácido sólido, será primeiro preparado trocando prótons por quaisquer outros cations presentes. Em seguida, o reator será aquecido à temperatura desejada (operação isotérmica) com o fluxo de reagentes. Quando a temperatura estiver equilibrada, a amostragem do produto começará. As amostras serão analisadas por um polarímetro, que mede a rotação óptica. A rotação óptica da mistura pode estar relacionada à conversão de sacarose, que pode então ser usada em análises cinéticas padrão para determinar a ordem da reação, com relação à sacarose reagente, e à taxa aparente constante. Os efeitos da mecânica dos fluidos - sem mistura axial (fluxo de plugue) versus alguma mistura axial (tanques mexidos em série) - na cinética também serão analisados.

As propriedades do catalisador são: tamanho = 20 - 40 malha; peso = 223 g; teor de água = 30 wt. %; densidade aparente (a granel) = 1,01 g/mL; concentração do local do ácido = 4,6 locais de ácido mmol/g peso seco; área da superfície = 50 m²/g; macroporosidade (volume macroporo/volume total de gato.) = 0,34; tamanho médio de macroporos = 80 nm. Um diagrama de P&ID da unidade é mostrado na Figura 2. Para este experimento, são utilizados apenas #1 de cama, o tanque orgân

O polarímetro determina as conversões fracionárias de sacarose após reação em um reator de cama embalado. Uma calibração polarímetro anterior para três rações diferentes de sacarose é mostrada na Figura 3.

Figura 3. Relação entre grau de rotação e conversão frac...

A reação não se comporta exatamente como esperado porque a ordem aparente n é > 1. De todos os fenômenos que podem causar tais desvios em reatores reais, desvios do comportamento pfr ideal causado pela mistura axial são sugeridos pelo fato de que a montagem do modelo tanque-em-série dá apenas um pequeno número de tanques - para um PFR perfeito, N deve ser pelo menos 6. Tais desvios são frequentemente encontrados em leitos relativamente curtos, especialmente se o fluxo for multifásico (alguma água é vaporizad...

1. J. Sauer, N. Dahmen and E. Henrich. "Chemical Reactor Types." Ullman's Encycylopedia of Industrial Chemistry (2015). Web. 15 Oct. 2016.
2. H.S. Fogler, "Elements of Chemical Reaction Engineering," 4^th Ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, 2006, Ch. 2-4; O. Levenspiel, "Chemical Reaction Engineering," 3^rd Ed., John Wiley, New York, 1999, Ch. 4-6; C.G. Hill, Jr. and T.W. Root, "Introduction to Chemical Engineering Kinetics and Reactor Design," 2^nd Ed., John Wiley, New York, 2014, Ch. 8.
3. N. Lifshutz and J. S. Dranoff, Ind. Eng. Chem. Proc. Des. Dev., 7, 266-269 (1968).
4. E.R. Gilliland, H. J. Bixler, and J. E. O'Connell, Ind. Eng. Chem. Fundam., 10, 185-191 (1971).
5. "Sulfuric Acid." The Essential Chemical Industry. Univ. of York, 2016. http://www.essentialchemicalindustry.org/chemicals/sulfuric-acid.html. Accessed 10/20/16.
6. E. Lotero, Y. Liu, D.E. Lopez, K. Suwannakarn, D.A. Bruce and J.G. Goodwin, Jr., Ind. Eng. Chem. Res.,44, 5353-5363 (2005); A. Buasri, N. Chaiyut, V. Loryuenyong, C. Rodklum, T. Chaikwan, and N. Kumphan, Appl. Sci.2, 641-653 (2012); doi:10.3390/app2030641.