Embed Size (px)
DESCRIPTION
Apresentação para a disciplina de Fundamentos de polimerização e reciclagem
Citation preview
Disciplina: Fundamentos de Polimerização e Reciclagem
Prof. Ricardo Antonio Francisco Machado
Alunos: Cristian Alexandre
Estela de Sá
Abordagem
Introdução
Parte teórica
Programa computacional
Parte experimental
Resultados e discussão
Conclusões
Referências
Introdução
Parte teórica
Programa computacional
Parte experimental
Resultados e discussão
Conclusões
Referências
Introdução
A polimerização é uma reação exotérmica e a viscosidade
da mistura reacional (fase hidrofóbica) aumenta com o
mecanismo cinético.
Taxa de reação: função exponencial à temperatura.
Havendo descontrole térmico, há o acúmulo do calor
gerado.
Reação descontrolada
Processo instável
Decomposição exotérmica reação indesejável
Cinética e termodinâmica da reação química
Pode causar
torna
JANG et al. 2006
Introdução
Polimerização em
suspensão aquosa Monômeros Agentes de
suspensão Iniciador
Durante o processo
de polimerização:
Procura-se
conversão quase
completa.
A viscosidade
aumenta com a
conversão e
consequentemente
dificulta o controle
da reação
exotérmica.
Quando o
monômero tem a
solubilidade
desprezível :
sistemas
homogêneos
(gotícula M = micro-
reator)
JANG et al. 2006
Introdução
Polimerização por radicais livres
Jang et al. 2006; Billmeyer, 1984; Almeida, 2004.
Introdução
É possível estudar o mecanismo térmico da polimerização
do estireno.
Monômeros de estireno podem gerar suficientes radicais
livres durante o aquecimento de forma que alta conversão
e polímero de alta massa molar possam ser obtidos sem
iniciadores químicos. A iniciação pode ser de:
Segunda ordem: taxa de polimerização é
proporcional ao quadrado da concentração do
estireno [M].
Terceira ordem: taxa de polimerização é
proporcional a terceira ordem da concentração do
estireno [M].
Pryor et al. 1974, Yuan et al. 1991, Machado and Bolsan (1998) apud Jang et al. 2006
Alta eficiência
Eficiência
menor
Introdução
A viscosidade do meio reacional (fase hidrofóbica) tem efeito
significativo na taxa de transferência de calor.
O coeficiente térmico diminui bruscamente com a conversão.
Alguns autores correlacionam o efeito da conversão na transferência
de calor.
U diminui com a conversão do monômero X.
Takamatsu et al (1988), Chylla and Haase (1993) apud Jang et al. 2006
Coeficiente de transferência térmica global :
O coeficiente de transferência térmica global U é a medida da habilidade global de uma
série de barreiras condutivas e convectivas para transferir calor.
Q = taxa de transferência térmica (W)
U = coeficiente de transferência de calor global
(W/(m²·K))
A = área de superfície de transferência de calor (m2)
ΔTLM = diferença de temperatura média logarítmica (K)
Objetivo do estudo
Analisar o comportamento térmico da polimerização em suspensão
do estireno em um reator batelada.
Foi assumido que a taxa de auto-iniciação da polimerização do
estireno é uma iniciação de segunda ordem e usou-se balanço de
massa, balanço energético e correlação empírica do coeficiente de
transferência de calor global.
Os resultados simulados foram validados por resultados
experimentais.
Jang et al. 2006
Introdução
Parte teórica
Modelo cinético da polimerização por radicais livres
Balanço de massa
Balanço térmico da polimerização em suspensão
Coeficiente global de transferência de calor
Programa computacional
Parte experimental
Resultados e discussão
Conclusões
Referências
Modelo cinético
O mecanismo cinético do estireno é o mecanismo de radicais livres
que consistem das seguintes etapas (já mencionadas):
Iniciação
Propagação
Transferência de cadeia
Terminação
Leva-se em consideração nesta etapa:
O fator f, que corresponde à eficiência do iniciador.
A taxa de polimerização total.
Dados cinéticos da literatura.
Kalfas et al. 1993 apud Jang et al. 2006
Balanços de massa
Jang et al. 2006
Balanço global
Balanço do iniciador
Balanço do monômero
Balanço do agente de
suspensão
Balanço do radical
Balanço do polímero
Balanço térmico
Jang et al. 2006
Balanço térmico
Balanço volume da mistura
reacional
Relação de concentração do
monômero
Balanço calor acumulado
Volumes significativos:
Estireno, poliestireno e água.
Outros volumes: desprezíveis
Volume da mistura reacional:
Calculado em função da
temperatura e da conversão do
monômero.
Coeficiente de transf. de calor global
Takamatsu et al. (1988) apud Jang et al. 2006
Cálculo do coeficiente de
transferência de calor
para o início da reação
(correlação empírica)
Balanço térmico
O coeficiente de transferência de calor global (Uo) varia
durante o progresso da reação, porque a geração de calor
não é mais desprezível devido as novas condições físicas e
químicas dos reagentes que variam, modificando a
viscosidade, etc.
Introdução
Parte teórica
Modelo cinético da polimerização por radicais livres
Balanço de massa
Balanço térmico da polimerização em suspensão
Coeficiente global de transferência de calor
Programa computacional
Parte experimental
Resultados e discussão
Conclusões
Referências
Programa computacional
Jang et al. 2006
Para simular o comportamento térmico da polimerização em
suspensão do estireno em reator batelada foram consideradas
três condições desprezíveis (neste modelo adotado):
A geração de calor no tempo inicial de reação;
O volume dos agentes aditivos (iniciador, agentes de
suspensão);
Condições físicas e químicas dos agentes.
Programa computacional
Nemeth and Thyrion, 1995 apud Jang et al. 2006
O programa consiste:
Módulo input: dados iniciais (massa do monômero, massa do iniciador, massa da
água, temperatura da reação, temperatura de refrigeração, coeficiente de calor
global inicial, área inicial de transferência de calor e eficiência do iniciador).
Módulo de cálculo: inclusão de dados de concentração do monômero, iniciador, e
radicais, coeficiente de calor global, área de transferência de calor, conversão,
constantes cinéticas, etc usando o método de Euler.
Módulo output: geração de gráfico e tabela com os dados.
Dados das condições químicas e físicas dos materiais foram utilizados da literatura:
Programa computacional
Nemeth and Thyrion, 1995 apud Jang et al. 2006
Figura 1. Resultados do programa apresentando o comportamento térmico predito.
Introdução
Parte teórica
Modelo cinético da polimerização por radicais livres
Balanço de massa
Balanço térmico da polimerização em suspensão
Coeficiente global de transferência de calor
Programa computacional
Parte experimental
Resultados e discussão
Conclusões
Referências
Parte experimental
Jang et al. 2006.
Figura 2. Diagrama esquemático do equipamento experimental.
Parte experimental
Jang et al. 2006.
Introdução
Parte teórica
Modelo cinético da polimerização por radicais livres
Balanço de massa
Balanço térmico da polimerização em suspensão
Coeficiente global de transferência de calor
Programa computacional
Parte experimental
Resultados e discussão
Conclusões
Referências
Resultados e Discussão
Jang et al. 2006.
Figura 3. Comparação das curvas teórica e experimental da temperatura das reações
108,2ºC
94 min 104,2ºC
122 min
[I]
Taxa de
polimerização
temperatura
Tempo de reação
No estágio final da
polimerização:
Velocidade da
reação e geração
de calor
Coef.transferência
de calor (pelo
aumento da
viscosidade)
Resultados e Discussão
Jang et al. 2006.
O comportamento térmico da polimerização em suspensão do
estireno em reator batelada foi determinado a partir da
simulação implementada, utilizando os parâmetros: coeficiente
de transferência calor global inicial (Uo), eficiência do iniciador
(f) e coeficiente de calor global ().
2% 3% Takamatsu et al.
(1988)
Erdogan et al.
(2002)
Uo(kJ m-2 s-1 K-1) 0,0311 0,0317 0,93 0,055
f 0,340 0,323 0,525 0,5
0,86 0,86 0,375 330-440
Resultados e Discussão
Figura 4.Variação das temperaturas de reação e parâmetros da reação descontrolada com o tempo.
por causa da conversão
Comportamento similar
porque estão em função
da temperatura.
Reação descontrolada
[M], [I], [R] são lineares até a
reação descontrolada, após o
comportamento muda,
principalmente em termos de [R].
Com cerca de 50% de
conversão, o calor de
polimerização torna-se
muito mais alto do que
quando o calor é removido,
e a reação descontrolada
ocorre.
µ
U
Resultados e Discussão
Figura 5. Efeito da proporção [I]/[M] na
temperatura de reação.
Figura 6. Efeito de [M]/[W] na temperatura de
reação.
proporção[I]/[M]
Temperatura
Tempo de reação
proporção[M]/[W]
Temperatura
Tempo de reação
variação
Sensibilidade das condições do processo:
Resultados e Discussão
Figura 7. Efeito do coeficiente de transferência de calor global na temperatura de reação.
Proporção [M]/[W]
Temperatura
Tempo de reação
Variação em relação
à [M]/[w]
Sensibilidade das condições do processo:
Como a diminuição do coeficiente de calor global inicial é verificada,
devido a reação descontrolada, esta pode ocorrer num curto período de
tempo reacional, gerando um pico elevado de temperatura.
Uo
Introdução
Parte teórica
Modelo cinético da polimerização por radicais livres
Balanço de massa
Balanço térmico da polimerização em suspensão
Coeficiente global de transferência de calor
Programa computacional
Parte experimental
Resultados e discussão
Conclusões
Referências
Conclusões
O comportamento térmico da polimerização em suspensão de estireno em
um reator batelada foi simulado com a utilização de equações de balanços
de massa e energia baseados na cinética da polimerização por radical
livre.
O perfil teórico da temperatura durante a reação de polimerização foi
estimado por análises numéricas através do método de Euler.
Foi possível predizer a reação descontrolada, a qual ocorre a cerca de 50%
da polimerização completa.
Introdução
Parte teórica
Modelo cinético da polimerização por radicais livres
Balanço de massa
Balanço térmico da polimerização em suspensão
Coeficiente global de transferência de calor
Programa computacional
Parte experimental
Resultados e discussão
Conclusões
Referências
Referências
Modelo cinético
Polimerização por radicais livres
Jang et al. 2006; Billmeyer, 1984; Almeida, 2004.
![Caracterização Morfológica do Poliestireno !24)'/ de Alto ... · sistência ao impacto e a tenacidade do poliestireno vítreo[4]. Caracterização Morfológica do Poliestireno](https://img.document.onl/doc/110x75/5c02e92909d3f228298bb816/caracterizacao-morfologica-do-poliestireno-24-de-alto-sistencia.jpg)
