UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENASCAMPUS POOS DE CALDAS
LUIZ OTVIO PEANHAMARCELLI PURCINO RPOLOMATHEUS CELLIM LEVENDOSKPATRCIA DA SILVA COSTA SANTOSRAFAEL TOMAZELLA MORAESRENAN LUCAS VALENA
CINTICA DE UMA REAO DE ESTERIFICAO SLIDO-LQUIDO(TEMPERATURA DE 75C)
Poos de Caldas /MG2015
LUIZ OTVIO PEANHAMARCELLI PURCINO RPULOMATHEUS CELLIM LEVENDOSKPATRCIA DA SILVA COSTA SANTOSRAFAEL TOMAZELLA MORAESRENAN LUCAS VALENA
CINTICA DE UMA REAO DE ESTERIFICAO SLIDO-LQUIDO(TEMPERATURA DE 75C)
Relatrio apresentado disciplina de Engenharia das Reaes Qumicas Heterogneas, do curso de Engenharia Qumica da Universidade Federal de Alfenas, Campus de Poos de Caldas MG.Professora: Cnthia Soares de Castro.
Poos de Caldas/MG2015
RESUMOAs reaes para produo de steres so denominadas reaes de esterificao e envolvem um cido carboxlico reagindo com um lcool, na presena de um catalisador cido. Os steres so produtos extremamente importantes para as indstrias, como o acetato de etila, geralmente utilizado como solvente orgnico. O presente trabalho estudou as reaes de esterificao do acetato de etila, em diferentes temperaturas, com o objetivo de identificar uma relao entre temperatura e tempo de reao. Entre as temperaturas utilizadas (65C, 75C e 85C), o perfil mais satisfatrio foi a reao com 75C, identificando uma proporcionalidade entre a temperatura e o tempo de reao. O perfil de 65C foi o menos satisfatrio, no seguindo nenhum tipo de perfil.Palavras-chave: Esterificao, Batelada, Temperatura, Acetato de Etila, Converso, Cintica.
SUMRIO
1.INTRODUO61.1.Reao de Esterificao61.2.Caractersticas da reao de esterificao61.3.Catalisador na reao de esterificao71.4.Catalisador de Oxido de Nibio71.5.Modelo Cintico81.6.Reator em Batelada82.OBJETIVOS103.MATERIAIS E MTODOS113.1.Materiais113.2.Mtodos114.RESULTADOS E DISCUSO135.CONCLUSO156.REFERNCIAS16
1. INTRODUO
1.1. Reao de Esterificao Esterificao a denominao dada a reao de formao de steres a partir do aquecimento de uma mistura de um cido carboxlico e um lcool de cadeia curta (metanol ou etanol), com formao de gua como subproduto (Figura 1)1.
Figura 1 - Reao de Esterificao2.A reao de esterificao um processo reversvel e lento, sendo necessrio a utilizao de catalisadores cidos para aumentar a velocidade da reao. O cido catalisa tanto a reao direta (Esterificao) com a reao inversa (hidrlise do ster)1. A produo de steres de grande interesse comercial, principalmente nas reas de extractantes, diluentes, solventes, plastificantes, polmeros, essncias e fragrncias sintticas, e como intermedirio qumico para indstrias farmacuticas, herbicidas e pesticidas3. 1.2. Caractersticas da reao de esterificao
A velocidade de formao do ster na reao de esterificao depende do cido carboxlico e do lcool utilizado, bem como das condies do processo como razo molar lcool/ cido carboxlico, temperatura reacional, concentrao de catalisador e agitao a ser utilizada1. Para favorecer a formao dos produtos, pode se remover um dos produtos, como a gua, ou utilizar em excesso um dos reagentes como o lcool1. O excesso de lcool deslocara o equilbrio qumico da reao no sentido da formao dos steres, portanto a razo molar lcool/ cido carboxlico deve ser maior do que a relao estequiomtrica 1:11. A temperatura influenciara na energia cintica mdia das molculas. Assim quanto maior a temperatura, maior a probabilidade de colises de molculas e consequentemente maior formao de produto em um menor tempo1. 1.3. Catalisador na reao de esterificao
Os principais fatores que influenciam a esterificao so o excesso de um dos reagentes e o uso de catalisadores. O tipo e a quantidade de catalisador influenciam na reao afetando diretamente a velocidade sem afeta o equilbrio, pois afeta tanto a reao direta com tambm a reao inversa. Apesar da reao de esterificao ser um processo antigo, ainda existem muitas pesquisam por catalisadores visando: i) Realizao da reao em quantidades equimolares dos reagentes em vez de usar um deles em excesso ; ii) Realizao da reao em temperaturas menores e em condies mais brandas; e iii) Utilizao de catalisadores que possam ser facilmente removidos do meio reacional4. O uso de catalisador homogneo na reao de esterificao, como cido sulfrico concentrado, embora apresente excelentes rendimentos reacionais so associados a problemas de corroso de equipamentos e dificuldade de separao do produto final. J os catalisadores heterogneos, no qual a reao ocorre na superfcie, apresentam facilidade de separao do produto da reao, obteno de produtos com alto grau de pureza, facilidade de regenerao e reutilizao. Alm disso no so corrosivos e no exigem uma etapa de lavagem do produto, ou seja, menor gerao de resduos ao final do processo4. 1.4. Catalisador de Oxido de Nibio O nibio um metal, encontrado na natureza como uma mistura de xidos metlicos. Por ser um elemento que apresenta diferentes nmeros de coordenao, o nibio pode acomodar um grande nmero de ligantes devendo a isto, o elevado nmero de novos complexos de nibio relatos em vrias publicaes1. O Brasil um detentor de uma das maiores reservas mundiais de nibio e o maior produtor mundial desse elemento, no qual 10% do consumo total utilizado na produo de xido de nibio1. Devido a sua acentuada acidez, alta resistncia corroso, alta condutividade eltrica e alto ndice de refrao, o nibio ideal para aplicaes qumicas como na catalise heterognea. Sendo assim, por ser matria prima nacional o uso nibio como catalisador heterogneo alm de, apresentar grande importncia econmica e estratgia para o Brasil representa uma alternativa de reduo de gastos dos processos industriais devido a possibilidade de regenerao do catalisador para posterior reutilizao e reduo de problemas de corroso1. 1.5. Modelo Cintico
Para a reao de esterificao, a lei de velocidade representada pela Equao 1: (1)Em que: : Constantes de velocidade das reaes direta e inversa; : Concentrao de cido actico;: Concentrao de etanol; : Concentrao de ster; Concentrao de gua. Considerando a concentrao de etanol (constante durante a reao e a concentrao de ster ) e gua iguais, obtm-se a Equao 25: (2)
1.6. Reator em Batelada
Reator em batelada so reatores simples, que no apresentam fluxos de entrada e sada durante a reao, dele os reagentes so colocados em contato no tanque e deixados sob agitao para que a reao ocorra, ou seja, a converso (X) uma funo do tempo que os reagentes permanecem no reator6. Sendo assim para um reator em batelada, a equao de projeto apresentada pela Equao (3): (3)No qual, como apresentado a converso (X) aumenta e a velocidade da reao diminui com o aumento do tempo da reao6 at atingir o equilbrio.
2. OBJETIVOS
Com base na reao de esterificao, calcular a converso do cido actico em acetato de etila em funo do tempo para uma temperatura de 75C em um reator em batelada.
3. MATERIAIS E MTODOS
3.1. Materiais
Balana analtica de preciso; Reatores em batelada de 1 L com agitao magntica; Catalisador; cido actico; Etanol; Soluo de hidrxido de sdio (NaOH) 0,5 M; Fenolftalena; Termmetro de mercrio Pisseta com lcool; Pipeta graduada de 5 ml; Pipetador; Barra magntica; Bomba peristltica; Banho-maria; Mangueiras de silicone; Bureta de 50 ml; Haste com garras; Cronmetro; Erlenmyers.
3.2. Mtodos
A temperatura do banho-maria foi ajustada para 75 C e em seguida 50 ml de cido actico e 250 ml de etanol foram adicionados ao reator. O aquecimento da soluo presente no reator foi iniciado e aps atingido a estabilidade trmica, 1,5 g de catalisador foi adicionado ao meio reacional. Alquotas de 5ml da mistura reacional foram retiradas aps 5, 10, 20, 30, 45 e 60 minutos. Foi feita a titulao dessas alquotas utilizando-se a soluo de hidrxido de sdio, e fenolftalena como indicador; o volume de NaOH utilizado na titulao foi registrado.
4. RESULTADOS E DISCUSO
Com a temperatura do banho-maria ajustado para 75 C, a temperatura mdia da reao foi de 61 C, isso devido a perdas de calor para o ambiente.
Tabela 1- Quantidade de NaOH titulado e cido actico restante, e converso da reao para cada tempo de reao a 61 C.Tempo (min)Volume de NaOH titulado (ml)cido actico restante (mols)Converso (%)
000,8750,00
529,20,8760,00
1028,70,8611,60
2028,50,8552,29
3028,40,8522,63
4528,20,8463,31
60280,844,00
Aps 60 minutos, a reao apresentou baixa converso (4%). Analisando o Grfico 1, observa-se saturao da curva de converso, indicando que a converso de 4% se aproxima da converso de equilbrio.
Grfico 1 - Variao da converso em funo do tempo.Com o intuito de observar a influncia da temperatura de reao na converso, coletaram-se os dados de diferentes grupos, os quais operaram o experimento em diferentes temperaturas de reao. Tais dados so apresentados na tabela 2.Tabela 2 - Converso da reao para cada tempo em diferentes temperaturas de reao.Tempo (min)Temperatura de 65CTemperatura de 75C Temperatura de 85C
Converso (%)Converso (%)Converso (%)
00,000,000,00
53,310,000,00
101,601,604,00
200,232,295,71
300,572,633,66
453,313,316,74
604,004,001,60
Observando os dados apresentados na tabela 2, nota-se que houveram erros experimentais, que resultaram em dados com pouca preciso e que no representam, com confiabilidade, a converso ocorrida na reao de esterificao. Tal fato explicado, quando se observa a converso no tempo, para temperatura de 65C e 85C, onde se tem a diminuio da converso com o aumento do tempo, por exemplo, a converso a 65C aps 5 minutos foi de 3,3%, porm aps 10 minutos a mesma foi de 1,60%, sendo que com o aumento do tempo, a converso deve aumentar, uma vez que os reagentes reagem por mais tempo.Nota-se tambm que a maior converso encontrada, 6,74%, ocorreu a uma temperatura de 85C, enquanto que a temperaturas de 65C e 75C, as maiores converses foram 4%, para ambas as temperaturas. Portanto, visto um aumento da converso com o aumento da temperatura de reao, porm no se pode afirmar tal fato, devido a inconsistncia dos dados encontrados durante o experimento.
5. CONCLUSO
Atravs dos dados obtidos, conclui-se que a converso diretamente proporcional ao tempo de reao, mesmo com alguns erros experimentais que resultaram em dados que no seguem a tendncia de converso.A converso com temperatura de 75C foi a nica que apresentou um perfil como o esperado, aumentando a converso proporcionalmente ao tempo da reao. Porm, a converso com temperatura de 85C tambm demonstrou um perfil satisfatrio, visto que esta obteve uma disparidade dos dados somente na converso com o tempo de 30 minutos.O perfil de converso na temperatura de 65C no foi satisfatrio, visto a grande disparidade dos dados de converso em funo do tempo. Estes erros podem ser erros experimentais, devido dificuldade na aferio dos dados atravs da titulao.
6. REFERNCIAS
[1] LEO, L. S. Estudo emprico e cintico da esterificao de cidos graxos saturados sobre o cido nobico.2009. 97 f. Dissertao (Mestrado) - Curso de Engenharia Qumica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2009. Disponvel em: . Acesso em: 13 de maio de 2015.[2] MEDEIROS, J. C. Preparao e identificao do acetato de etila e do borato de etila.Paraba: Universidade Estadual da Paraba, 2011. Disponvel em: . Acesso em: 13 de maio de 2015.[3] BARCZA, M. V. Esterificao. Disponvel em: . Acesso em: 13 de maio de 2015.[4] VIEIRA, S. S. Produo de biodiesel via esterificao de cidos graxos livres utilizando catalisadores heterogneos cidos.2011. 118 f. Dissertao (Ps-graduao) - Curso de Agroqumica, Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2011. Disponvelem:. Acesso em: 13 de maio de 2015.[5] UG Lab Coordinators. Chemical Engineering Laboratory Manual, vol.8, 2006. Disponvel em: www.che.iitb.ac.in/courses/uglab/uglabs.html. Acesso em: 13 de maio de 2015.[6] FOGLER, H. S. Elementos de engenharia das reaes qumicas. 4 ed. Rio de Janeiro, LTC, 2009.
