Dimensionamento de um reator CSTR e planejamento experimental para a cinética de decomposição do corante violeta cristal

Introdução

A operação de reatores contínuos reais é influenciada simultaneamente pela cinética da reação e pelo comportamento hidrodinâmico do escoamento. Nesse contexto, a reação entre violeta cristal e hidróxido de sódio constitui um sistema adequado para investigar esses efeitos, devido à possibilidade de acompanhar a concentração do corante por espectrofotometria UV-Vis. A caracterização da Distribuição do Tempo de Residência (DTR), associada à determinação cinética e ao planejamento experimental (Design of Experiments, DOE), permite avaliar de forma integrada a influência das condições operacionais e das não idealidades do escoamento sobre a conversão de reatores contínuos.

Objetivo

Avaliar o desempenho de um reator contínuo de tanque agitado aplicado à descoloração do violeta cristal, integrando planejamento experimental, determinação da cinética de reação e caracterização da DTR para identificar o modelo hidrodinâmico mais representativo do sistema.

Método

Foi aplicado um planejamento experimental com concentração de violeta cristal e temperatura como fatores, utilizando a conversão como variável resposta. A cinética foi determinada em ensaios em batelada, assumindo comportamento de pseudo-primeira ordem e obtendo-se a constante cinética por regressão linear. Um reator CSTR de PVC foi operado com vazão total de 100 mL min⁻¹. A DTR foi determinada pelo método de perturbação em degrau, utilizando NaCl como traçador e condutividade elétrica para monitoramento. Os dados foram normalizados, truncados e renormalizados para obtenção do tempo médio de residência. A conversão foi comparada pelos modelos de CSTR ideal, segregação, tanques em série e dispersão.

Resultados e discussão

O planejamento experimental apresentou conversões entre 0,904 e 0,988, sendo a concentração de violeta cristal o fator de maior influência e a temperatura associada a um efeito quadrático. O modelo reduzido apresentou R^2=0,743, representando satisfatoriamente o comportamento dentro do domínio estudado, embora a região de maior conversão tenha sido localizada na borda experimental. Os ensaios cinéticos resultaram em constantes de 0,6121, 0,3908 e 0,3745 min⁻¹, com valor médio de 0,459 ± 0,130 min⁻¹ e coeficiente de variação de 29%, indicando dispersão relevante entre as réplicas. A análise da DTR apresentou tempo médio de residência de 7,73 ± 0,77 min e evidenciou mistura intensa e comportamento não ideal do reator. A conversão experimental foi de 0,749 ± 0,015, apresentando maior proximidade com as previsões obtidas utilizando o menor valor de k. Entre os modelos avaliados, o de tanques em série apresentou maior compatibilidade física de hidrodinâmica do sistema, por incorporar o tempo médio e a variância da DTR.

Conclusão

A integração entre DOE, determinação cinética e caracterização da DTR permitiu avaliar conjuntamente os efeitos cinéticos e hidrodinâmicos sobre a conversão do CSTR. O modelo de tanques em série apresentou a representação mais coerente do sistema, conciliando os resultados experimentais com as características de mistura intensa e escoamento não ideal observadas.

Palavras-chave

• Reator CSTR
• violeta cristal
• cinética química
• planejamento de experimentos
• DTR