Reatores e simulaçao

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAMPA - UNIPAMPA

CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO I

JORGE LUIZ OLIVEIRA LUCAS JÚNIOR

Combinação de Reatores Contínuos (CSTR e PFR) validando resultadoscomputacionais com dados obtidos experimentalmente

BAGÉ, JULHO DE 2011

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1



Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado paraobtenção do grau de engenheiro químico, no cursode engenharia química da Universidade Federal doPampa, UNIPAMPA.

Orientadora: Prof.ª Dr.ª Ana Rosa Costa Muniz

BAGÉ, JULHO DE 2011




2



Trabalho de Conclusão de Curso aprovado pelaBanca Examinadora para obtenção do Grau deEngenheiro químico no Curso de engenhariaquímica da Universidade Federal do Pampa,UNIPAMPA, com Linha de Pesquisa em ReatoresQuímicos e Simulação de Processos.

Bagé, 08 de Julho de 2011.

BANCA EXAMINADORA

Prof.ª Drª Ana Rosa Costa Muniz - UNIPAMPA - Orientadora

Prof. Dr. Evandro Steffani - UNIPAMPA

Prof. Dr. Alexandre Arruda - UNIPAMPA




3

“A primeira etapa para o conhecimento é saber

que somos ignorantes”

Sócrates (470-399 a.C.)




4

RESUMO

Um simulador de processos químicos permite prever o comportamento de um equipamento ou

de uma Planta química de forma ágil e econômica utilizando modelos termodinâmicos

intrínsecos, balanços de massa, de energia, de quantidade de movimento, equilíbrio químico e

de fases, taxas de reação e curvas do comportamento de equipamentos específicos. No

presente trabalho será utilizado o simulador Aspen Plus 11.1 para simular diferentes

configurações de reatores contínuos, CSTR e PFR, presentes em um módulo didático de

reatores a ser adquirido pela UNIPAMPA. Serão analisadas combinações em série e em

paralelo visando ou aumentar o grau de conversão de um reagente ou a quantidade do produto

desejado por meio de uma análise de sensitividade paramétrica. As variáveis a seremmanipuladas serão a vazão de alimentação e o volume reacional total. Os resultados obtidos

por simulação serão validados experimentalmente no módulo didático de reatores e poderão

servir para um futuro scale up1 para planta piloto ou industrial.

.

Palavras-chave: Combinação de reatores; Aspen Plus; Simulação.

_______________ 1 Permite passar de uma escala de laboratório ou piloto de desenvolvimento, para uma escala ampliada de

produção. Informação retirada de: SOLTERMANN, Omar E. Condicionantes Socio-técnicos da Extrapolação( Scale-UP ) de Processos Químicos. Campinas: 1992.




5

ABSTRACT

A chemical process simulator can predict the behavior of a device or a chemical plant in a

timely and cost using intrinsic thermodynamic models, mass balances, energy, momentum,

chemical and phase equilibrium, reaction rates and curves the behavior of specific equipment.

In this paper we will use the simulator Aspen Plus 11.1 to simulate different configurations of

continuous reactors, CSTR and PFR, present in a didactic module reactors to be acquired

by UNIPAMPA. Combinations will be analyzed in series and in parallel in order to increase

the degree of conversion of a reagent or the amount of the desired product by means of a

parametric sensitivity analysis. The variables to be manipulated will be the flow rate and

total volume reaction. The results obtained by simulation will be validated experimentally inthe reactors and didactic module may serve for future scale up

1 to pilot plant or industrial.

.

Keywords: Combination of reactors; Aspen Plus; Simulation.

_______________ 1 Lets move from a laboratory or pilot scale development to a wider scale production. Information takenfrom: SOLTERMANN, Omar E. Constraints Socio-technical Extrapolation (Scale-UP ) ChemicalProcesses.Campinas, 1992.




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LISTA DE FIGURAS

FIGURA 2.1: Balanço de massa para um volume de reator ............................................. 20FIGURA 2.2: Balanço de energia para um volume de reator ........................................... 21FIGURA 2.3: Fluxograma de Construção de um Reator CSTR ........................................ 28FIGURA 2.4: Fluxograma de Construção de um Reator PFR ........................................... 29FIGURA 4.1: Tela de abertura do Aspen Plus User Interface 11.1................................... 31FIGURA 4.2: Janela de construção de fluxograma para reatores químicos...................... 32FIGURA 4.3: Correntes de massa entrando e saindo de um CSTR ................................... 32FIGURA 4.4: Janela para definição dos componentes....................................................... 33FIGURA 4.5: Janela para especificação do método termodinâmico................................. 34FIGURA 4.6: Janela para especificação das correntes....................................................... 34FIGURA 4.7: Janela para especificação da estequiometria e cinética da reação............... 35




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LISTA DE TABELAS

TABELA 2.1: Ícones e recursos do reator CSTR .............................................................. 27TABELA 6.1: Cronograma de desenvolvimento do trabalho de conclusão de curso II... 37




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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

CSTR – Reator Contínuo de Tanque Agitado

PFR – Reator Tubular de Fluxo Pistonado

UNIPAMPA – Universidade Federal do Pampa




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LISTA DE SIMBOLOS

a - Coeficiente Estequiométrico do Reagente AA – Fator de Freqüência ou Fator Pré-exponencial

b - Coeficiente Estequiométrico do Reagente B

AC – Concentração do Reagente A

0 AC – Concentração do Inicial do Reagente A

BC – Concentração do Reagente B

AdC –Diferencial de Concentração AdX – Diferencial de Conversão

e – Exponencial

Ea – Energia de Ativação

A F – Vazão Molar da Espécie A

0 A F – Vazão Molar de Entrada da Espécie A

k – Constante de Velocidade de Reação

A N – Número de mols da Espécie A

p - Coeficiente Estequiométrico do Produto P

A p – Pressão Parcial do Componente A

B p – Pressão Parcial do Componente B

R – Constante dos Gases Ideais

RCSTR – Ícone do Simulador para um Reator Continuo de Tanque Agitado

RPlug – Ícone do Simulador para um Reator Tubular de Fluxo Pistonado

T – Temperatura

V – Volume do Reator

0v – Vazão Volumétrica de Entrada

X – Conversão

A X – Conversão do Reagente A

-r A – Taxa ou Velocidade de Reação

τ – Tempo espacial

ΔGr – Variação da Energia Livre de Gibbs Reacional




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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO............................................................................................................. 111.1 Objetivo Geral.............................................................................................................. 121.1.1 Objetivos Específicos................................................................................................ 121.2 Justificativa................................................................................................................... 121.3 Organização do Trabalho de Conclusão de Curso 1................................................... 132 REVISÃO TEÓRICA................................................................................................... 142.1 Definição e Classificação das Reações Químicas........................................................ 142.2 Energia de Ativação (Ea) ............................................................................................ 152.3 Equação de Arrhenius................................................................................................. 162.4 Taxa ou Velocidade de Reação (- r A )......................................................................... 172.5 Tempo espacial (τ)...................................................................................................... 182.6 Conversão (X).............................................................................................................. 18

2.7 Termodinâmica das Reações Químicas........................................................................ 192.8 Balanços de Massa e Energia....................................................................................... 192.8.1 Equação Geral do Balanço de Massa........................................................................ 202.8.2 Equação Geral do Balanço de Energia...................................................................... 202.9 Reatores Químicos....................................................................................................... 212.9.1 Reator Continuo de Tanque Agitado (CSTR).......................................................... 222.9.2 Reator Tubular de Fluxo Pistonado (PFR)............................................................... 242.10 Combinação de Reatores ........................................................................................... 242.10.1 Reatores em Paralelo............................................................................................... 252.10.2 Reatores em Série ................................................................................................... 252.11 Simulador de Processos Aspen Plus........................................................................... 262.11.2 RCSTR ( Reator Continuo de Tanque Agitado)...................................................... 272.11.2.1 Flowshet Connectivity RCSTR (Fluxograma para um CSTR)............................. 272.11.2.2 Material Streams ( Fluxo de Materiais)............................................................... 282.11.2.3 Specifyng (Especificações) ................................................................................. 282.11.3 RPlug ( Reator Tubular de Fluxo Pistonado).......................................................... 282.11.3.1 Flowshet Connectivity RPlug (Fluxograma para um PFR)................................. 292.11.3.2 Material Streams ( Fluxo de Materiais)............................................................... 292.11.3.3 Specifyng (Especificações) ................................................................................. 293 METODOLOGIA......................................................................................................... 304 RESULTADOS E DISCUSSÃO.................................................................................. 315 CONCLUSÃO............................................................................................................... 366 CRONOGRAMA........................................................................................................... 37

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................... 38




11

1 INTRODUÇÃO

Um processo nada mais é que componentes químicos sendo misturados, separados,

aquecidos, resfriados e convertidos através de operações unitárias. Estes componentes são

transferidos de uma unidade para outra pelas correntes que ligam o processo. O processo

industrial real pode ser traduzido para uma simulação através de modelos existentes nos

simuladores.

O texto abaixo é baseado em LUSA, FARENZENA, BECKER, 2006.

Simuladores de processo permitem prever o comportamento de um processo utilizando

relações básicas de engenharia, como balanços de massa, de energia, quantidade de

movimento, equilíbrio químico e de fases, taxas de reação e curvas do comportamento de

equipamentos específicos.O comportamento de uma planta de processo pode ser previsto utilizando-se modelos

termodinâmicos intrínsecos de um simulador de processos, correlacionando variáveis do

processo, bem como equipamentos e características da planta. Os simuladores são importantes

ferramentas na otimização tanto de plantas industriais existentes, quanto de plantas industriais

novas, incluindo etapas de pesquisa e desenvolvimento, projeto do processo de produção,

partida, operação e parada periódica.

A utilização de um simulador de processos na parte de projeto e equipamentos é

facilitada devido à rapidez e a confiabilidade dos resultados obtidos, assim como a redução decustos com experimentos.

Obedecendo-se algumas condições de operação e fornecendo-se os parâmetros

construtivos de alguns equipamentos e as propriedades de algumas correntes é possível

estimar todas as propriedades de correntes intermediárias e de saída de um processo. É

necessário certificar-se que na especificação de variáveis e parâmetros os graus de liberdades

precisam ser nulos.

Uma importante característica nos simuladores de processo é a analise de sensibilidade

que permite manipular algumas variáveis do processo e com essa manipulação prever as

mudanças de características dos produtos da reação. Essa é uma importante ferramenta na

otimização de processos, pois permite um entendimento mais aprofundado do processo e

como a mudança de uma variável pode ser benéfica ao processo. Podem ser utilizados

gráficos que construam curvas de formação de produtos e que auxiliam a visualização da

cinética de um processo.

Uma etapa fundamental na simulação de um processo é a escolha do pacote




12

termodinâmico mais adequado. Os simuladores comerciais trazem uma grande quantidade de

pacotes termodinâmicos em suas bibliotecas, sendo a escolha realizada de acordo com a

necessidade da planta industrial.

Os simuladores de processo permitem ainda estudos de hidráulica e limites

hidráulicos, além de permitir estudos de estruturas de controle, controladores avançados e

analisadores virtuais.

Existem simuladores estacionários e dinâmicos. Simuladores estáticos ou estacionários

são aqueles que utilizam equações de balanços mássicos e energéticos sem o termo de

acúmulo. Um simulador dinâmico é capaz de prever o comportamento da unidade durante a

transição de um estado estacionário para outro.

1.1 Objetivo Geral

Montar e realizar experimentos em diferentes combinações de reatores contínuos

confrontando resultados obtidos por simulação computacional com dados experimentais para

prever variações de conversão e de rendimento em reações homogêneas.

1.1.1 Objetivos Específicos

- Reduzir custos e tempo com experimentos;- Revisar a termodinâmica das reações químicas;

- Revisão das leis fundamentais da conservação, da cinética e projeto de reatores;

- Validar o modelo proposto com dados obtidos experimentalmente;

- Realizar análises de sensitividade paramétrica de forma rápida e econômica.

1.2 Justificativa

A simulação de processos se faz necessária pelo baixo custo, rapidez e pelaconfiabilidade dos resultados obtidos, podendo validar os resultados simulados com os

valores experimentais, além de possibilitar o scale up para plantas piloto ou reatores

industriais.




13

1.3 Organização do Trabalho de Conclusão de Curso 1

O Trabalho de Conclusão de Curso 1 foi dividido em capítulos:

O capítulo 1 foi chamado de Introdução Neste capitulo, foi ressaltada a importância da

simulação de processos químicos, suas inúmeras vantagens e os benefícios que a mesma traz

quando comparada aos métodos experimentais. Ainda no capitulo da Introdução foram

ressaltados o objetivo geral, os objetivos específicos e a justificativa de escolha da temática.

Estes itens citados foram dispostos na forma de subitem da introdução.

O capítulo 2 foi nomeado como Revisão Teórica. Neste capítulo foram relacionadas

definições inerentes aos processos químicos, bem como as características e propriedades

referentes a reatores químicos, além de informações introdutórias do simulador de processos

Aspen Plus.O capitulo 3 nomeou-se Metodologia, nele esta presente a descrição progressiva do

andamento do trabalho de conclusão 1.

O capitulo 4 chamou-se de Resultados e Discussão. Nele foram abordados a interface

do simulador Aspen Plus, suas características e suas opções de funcionamento. Trata-se

basicamente, da explanação das ferramentas contidas no simulador que serão utilizadas na

sequência do Trabalho de Conclusão de Curso 1.

O capítulo 5 teve o nome de Cronograma, pois nele estão contidas as datas e os

tópicos a serem abordados no Trabalho de Conclusão de Curso 2. Esse capítulo poderá sofrer alterações devido ao não conhecimento das datas por parte do autor e da orientadora do

presente trabalho em relação à entrega dos módulos de reatores contínuos, que serão

adquiridos pela Universidade Federal do Pampa. Essas possíveis alterações estarão contidas

no cronograma do Trabalho de Conclusão de Curso 2 se necessárias.

O capítulo 6 foi chamado de Conclusão. Neste capítulo são colocadas algumas

considerações em relação ao Trabalho de Conclusão de Curso 1.

O tópico Referências Bibliográficas é onde foram relatodas todas as fontes citadas e

pesquisadas no Trabalho de Conclusão de Curso 1.




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2 REVISÃO TEÓRICA

2.1 Definição e Classificação das Reações Químicas

Segundo Levenspiel (2000), uma reação química pode ser descrita quando um número

detectável de moléculas de uma ou mais espécies químicas perdeu sua identidade e adquiriu

novas propriedades, como alteração no número de átomos, configuração desses átomos ou

ainda alterações na configuração molecular. As reações químicas podem ser classificadas de

diversas maneiras. Para estudos de engenharia das reações químicas é utilizada a divisão das

mesmas em sistemas homogêneos e heterogêneos. Reações homogêneas ocorrem em uma

única fase e reações heterogêneas requerem a presença de no mínimo duas fases para ocorrer

a certa velocidade.

Além dessa classificação, existem reações catalíticas, cuja taxa é alterada por materiais que não são reagentes e nem produtos, tais materiais, chamadoscatalisadores, não necessitam estar presentes em grandes quantidades. Oscatalisadores atuam retardando ou acelerando a reação, sem que sejam modificadosde forma expressiva. (LEVENSPIEL, 2000, p. 2).

Fogler (2009, p.1) diz que “Cinética química é o estudo das velocidades de reações

químicas e dos mecanismos de reação. O estudo da engenharia das reações químicas combina

o estudo de cinética química com os reatores nos quais as reações ocorrem”.

Segundo Boniatti (2009), a grande importância prática da cinética química é permitir a

análise das reações químicas sob diferentes aspectos, estudar as reações e os parâmetros

inerentes ao processo confrontando dados obtidos para prever variações de propriedades

intrínsecas e extrínsecas de cada reação química.

Os principais objetivos do estudo da cinética são:

- Determinar o mecanismo da reação (caminho percorrido pela reação);

- Coletar e analisar dados cinéticos experimentais (métodos que permitam medir a

velocidade das reações, desde as mais lentas até as explosivas);

- Projetar reatores;

- Definir as condições operacionais (temperatura, pressão, composição da alimentação,

condições de fluxo, grau de mistura, condições do catalisador e parâmetros

envolvidos na transferência de calor e massa).




15

De acordo com Russell (1992), o mecanismo de uma reação consiste na descrição

detalhada da sequência de etapas individuais que conduzem os reagentes aos produtos. O

conhecimento dos mecanismos das reações provém do estudo das velocidades de reação e de

como são influenciadas por vários fatores. Em geral, a velocidade de uma reação é

determinada pelas propriedades dos reagentes, pelas concentrações dos reagentes e pela

temperatura. A velocidade pode ser influenciada ainda, pelas concentrações de outras

substâncias que não são os reagentes como os catalisadores e pelas áreas das superfícies em

contato com os reagentes.

2.2 Energia de Ativação (Ea)

Energia de ativação é a energia mínima necessária para que a reação ocorra. A energiaque uma molécula possui depende da natureza da molécula. Se a molécula é um único átomo,

ela possui energia cinética devida a sua movimentação. Ela também possui energia adicional

se alguns de seus elétrons estão em um estado de maior energia que o estado normal, chamado

de estado original. Um átomo ou molécula é dita como estando no estado excitado,

especificamente um estado eletrônico excitado, quando ela possui esta energia adicional.

Moléculas, as quais contêm mais de um átomo, podem possuir, além da energia cinética e a

energia dos elétrons excitados, energia vibracional devida a movimentação dos átomos dentro

da molécula relativa aos outros átomos, e as ligações covalentes mantendo-os no lugar 2.

Segundo Souza e Farias (2008), a fim de reagir, moléculas no estado inicial devem

adquirir uma energia adicional, descrita como energia de ativação ou energia livre de

ativação; a reação então e apenas nesta condição se desenvolverá espontaneamente para o

estado final o qual possui energia menor que a do estado inicial. A energia livre exigida para

ativação é retornada assim que a reação ocorre para dar produtos de menor energia.

O fator de freqüência A não é adimensional. Tem as mesmas dimensões da constante

de velocidade. Portanto, suas dimensões variam com a ordem de reação. Embora dependa

ligeiramente da temperatura, este efeito pode ser desprezado para pequenos intervalos de

temperatura.

_______________ 2 Informação retirada de: Depto. de Ciências Exatas, ESALQ/USP: Cinética Química. Publicação Destinadaao Ensino de Ciências-Química - 28/3/2002. Disponível em:<http://www.lce.esalq.usp.br/arquimedes/Atividade09.pdf>. Acesso em: 02 jul. 2011.




16

2.3 Equação de Arrhenius

A equação de Arrhenius pode ser usada para obter tanto o valor do coeficiente pré-

exponencial A como também o valor da energia de ativação Ea, desde que a constante da

velocidade de uma reação possa ser medida em diferentes temperaturas. Tanto A como Ea são

valores constantes para uma dada reação química. A equação de Arrhenius pode ser explicada

em termos de uma simples teoria cinética. Ea representa a barreira de energia para uma reação

química, e e-Ea/RT representa a proporção de moléculas que possuem energia maior que a

energia de ativação e portanto capazes de transpor a barreira de energia. À medida que a

temperatura aumenta e-Ea/RT também aumenta. (SMITH,1991).

A energia de ativação de uma reação é importante, pois determina a influência datemperatura na velocidade. É a energia mínima que as moléculas reagentes, quecolidem, devem ter para a formação dos produtos. A grandeza da energia deativação pode ser determinada a partir da curva de Arrhenius. ( RUSSEL, 1992, p.61).

A equação 2.1 é a equação de Arrhenius, sugerida pela primeira vez pelo químico

sueco Svante Arrhenius e é usada normalmente na forma logarítmica:

ln k = ln A – (Ea/R) (1/T) (2.1)

onde:

A = fator pré exponencial ou fator de freqüência

Ea = energia de ativação, ( J/mol) ou (cal/mol)

R = constante universal dos gases (8,314 J/mol.K)

T = temperatura absoluta

A constante de velocidade de reação k, não é na realidade uma constante, é apenas

independente das concentrações envolvidas na reação. A quantidade k é chamada tanto de

velocidade especifica de reação quanto de constante de velocidade ( FOGLER, 2000, p.72).A constante de velocidade é fortemente dependente da temperatura, porém, em reações

gasosas, depende do catalisador, quando utilizado, e pode ser uma função da pressão total.

“De acordo com a equação de Arrhenius, o valor da constante de velocidade k

aumenta com a temperatura. Isto significa que um aumento da temperatura deve produzir um

aumento de velocidade de reação”. (Russell, 1992, p. 48).




17

2.4 Taxa ou Velocidade de Reação ( - rA )

Segundo Atkins e Jones (2001) a velocidade de reação é a mudança de concentração

de um dos reagentes dividida pelo intervalo de tempo no qual a mudança ocorre. Como os

reagentes são consumidos e a concentração molar decresce com o tempo o sinal negativo de

r A assegura que a velocidade de reação será positiva.

De acordo com Levenspiel (2000), a taxa de uma reação química pode ser afetada

através da mudança de alguns parâmetros. Para reações realizadas em sistemas homogêneos a

temperatura, a pressão e a composição afetam a taxa de reação. Em sistemas heterogêneos a

variação da taxa se torna mais complexa, pois pode haver deslocamento de material de uma

fase para outra durante a reação, necessitando com isso levar em conta a taxa de transferência

de massa.Fogler (2009) diz que, quando se eleva a temperatura de uma reação química, a

velocidade de formação dos produtos aumenta. Do ponto de vista termodinâmico, o aumento

da temperatura resulta no aumento da energia cinética média das moléculas. A teoria das

colisões mostra que o aumenta da temperatura faz com que mais moléculas excedam a energia

de ativação, ocasionando maior energia de impacto nas colisões, produzindo mais produtos

com o aumento da velocidade.

De acordo com a lei da velocidade a única coisa que poderia afetar a velocidade além

da concentração dos reagentes é a própria constante da velocidade. Arrhenius investigou arelação entre a constante da velocidade e a variação da temperatura. Ele encontrou que

quando se colocava o logaritmo natural (ln) da constante da velocidade como uma função do

inverso da temperatura Kelvin (1/T), resultava em uma linha reta com uma inclinação

negativa. A inclinação é - Ea/R onde Ea é a energia de ativação (energia mínima exigida para

formação dos produtos) e R é a constante universal dos gases (8,31 x 10-3 kj mol-1 K -1).

A taxa de consumo de um reagente em uma determinada reação é calculada através da

equação (2.2), e depende da variação da quantidade consumida, do volume e do tempo.

dt

dN

V r A A

1 (2.2)

Considerando uma reação simples, tendo a seguinte equação estequiométrica:

pP bBaA (2.3)

Para reagentes em fase líquida a taxa pode ser expressa em função das concentrações

dos reagentes:




18

b

B

a

A A C kC r (2.4)

Para reagentes em fase gasosa a taxa deve ser expressa em função das pressões

parciais dos reagentes:

b

B

a

A A pkpr (2.5)

2.5 Tempo espacial (τ)

O tempo espacial é uma medida apropriada para desempenho de reatores

descontínuos, que relaciona um volume de alimentação correspondente a um volume de reator

em um espaço de tempo determinado.

De acordo com Levenspiel (2000), a mudança de parâmetros como a temperatura, a

pressão e o estado (gás, liquido ou sólido) no qual o volume do material que é alimentado no

reator influenciará diretamente no tempo espacial.

O tempo espacial pode ser descrito através do produto da concentração inicial com o

volume do reator pela vazão molar de alimentação dos reagentes conforme mostrado na

equação abaixo:

0

0

A

A

F

V C (2.6)

Segundo Fogler (2009), em alguns casos é conveniente medir a vazão volumétrica de

alimentação em algum estado padrão, principalmente se o reator estiver operando em diversas

temperaturas, nesse caso utiliza-se a relação da equação (2.7) para encontrar o tempo

espacial.

0v

V (2.7)

2.6 Conversão (XA)

Segundo Levenspiel (2000), para conhecer a conversão de uma espécie química A é

necessário escolher um dos reagentes, geralmente o reagente limitante , como base de cálculo

e relacionar a essa base outras espécies envolvidas na reação. Conhecendo-se as relações

estequiométricas e as equações de projeto é possível estimar a conversão.

Em sistemas com escoamento contínuo, a conversão XA é uma função do volume do




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reator. Em sistemas operando em estado estacionário a vazão molar de uma espécie A, menos

a taxa de reação da espécie A, dentro do reator, é igual a vazão molar da espécie A que sai do

reator, conforme visto na equação 2.8:

)1(0 A A A

X F F (2.8)

2.7 Termodinâmica das Reações Químicas

Conforme Levenspiel (2000), a influência da temperatura nas reações é determinada

pela energia de ativação e pelo nível de temperatura da reação. Isto se traduz em realidade,

pois, a partir da equação de Arrhenius, pode-se gerar um gráfico de ln k versus 1/T, que

fornece uma linha reta, com uma grande inclinação para valores altos de Ea e uma pequena

inclinação para valores baixos de Ea. Reações com altos valores de energia de ativação sãomuito dependentes da temperatura, enquanto que reações com baixos valores de energia de

ativação são relativamente independentes da temperatura. Qualquer reação química é muito

mais dependente da temperatura para valores baixos de temperatura do que para valores altos,

o fator de freqüência não afeta a dependência da temperatura.

Cada uma do grande número de reações químicas possíveis pode ser conduzida dediversas formas, e cada reação realizada de uma forma particular é acompanhada

por um efeito térmico específico. A organização e apresentação de todos os efeitostérmicos possíveis para todas as reações possíveis é impossível. Consequentemente,calculamos os efeitos térmicos das reações conduzidas de diversas formas a partir de dados para as reações realizadas de uma forma padrão. Isso reduz os dadosnecessários a uma quantidade mínima. (SMITH, VAN NESS, ABBOTT, 2007,

p.101).

Segundo FELDER e ROUSSEAU (2005), o calor associado a uma reação química

especifica depende da temperatura dos reagentes e dos produtos, a escolha de uma base de

cálculos consistente para a manipulação dos efeitos térmicos em reações se torna mais

facilmente calculada quando os produtos e os reagentes estão na mesma temperatura.

O texto referente a balanços de massa e balanços de energia é baseado em

LEVENSPIEL, 2000.

2.8 Balanços de Massa e Energia

No estudo de transformações químicas industriais devem ser considerados tanto o




20

Elemento de volume do reator

O reagente entra O reagente sai

O reagente desaparece devido areação dentro do reator

O reagente é acumulado dentrodo elemento

desenvolvimento de modelos cinéticos de fenômenos de transporte que podem expressar

a velocidade com base em variáveis do sistema, tais como modelos de reator de balanços de

materiais, de energia e de momento, tendo em conta os tipos de fluxos e as fases presentes.

2.8.1 Equação Geral do Balanço de Massa

O primeiro passo, para a compreensão de reatores químicos, é o balanço de massa das

espécies químicas que participam das reações químicas, esse balanço de massa leva em conta

as entradas de reagentes, as saídas de produtos, o consumo de reagentes e o acúmulo de

reagentes. A equação que expressa o balanço de massa de uma reação química é a equação

2.9 e o modelo referente ao balanço de massa para um volume de reator está mostrado na

Figura 2.1:

(2.9)

Fonte: Levenspiel, 2000, p. 68)

FIGURA 2.1: Balanço de massa para um volume de reator

2.8.2 Equação Geral do Balanço de Energia

Em operações isotérmicas, os balanços de energia têm de ser usados com os balanços




21

de massa. Dependendo do tipo de reator, este balanço pode ser realizado sobre um elemento

diferencial de reator ou sobre o reator como um todo. A equação que expressa o balanço de

energia está mostrado na equação 2.10 e o modelo referente ao balanço de energia para um

volume de reator esta mostrado na Figura 2.2:

(2.10)

Fonte: Levenspiel, 2000, p. 69)

FIGURA 2.2: Balanço de energia para um volume de reator

2.9 Reatores Químicos

De acordo com Fogler (2009), reatores químicos são vasos projetados para

conter reações químicas de interesse em escala industrial. O projeto de um reator químico

trata com múltiplos aspectos de engenharia química, sobre os quais os engenheiros químicos

trabalham para obter a maximização dos valores desejáveis para a reação dada. Projetistas

garantem que a reação se processe com maior eficiência para o produto de saída desejado,

Elemento de volume do reator

Calor entra Calor sai

Calor desaparece devido areação dentro do reator

Calor é acumulado dentrodo elemento




22

produzindo o mais alto rendimento do produto, mas gerando o mínimo de custos para serem

comprados e operarem.

Rodrigues et al (2006) diz que, um processo químico mantém suas características se

os fatores de perturbação do processo como um todo forem mantidos constantes, por esse

motivo, é possível diminuir os custos e o tempo de pesquisa e desenvolvimento na

extrapolação dos dados obtidos em laboratório para as plantas piloto, e destas para as escalas

das plantas industriais.

Segundo Boniatti (2009), os reatores químicos se classificam em dois tipos quanto ao

fluxo mecânico dos fluidos envolvidos na reação, podendo ser contínuos (que são

normalmente operados em regime estacionário) ou descontínuos. O presente trabalho visa o

estudo da combinação de reatores contínuos do tipo tanque agitado (CSTR) e reator tubular de

fluxo pistonado (PFR).O projeto de um reator químico inclui a escolha do tipo de reator, do volume do reator

e das condições operacionais3. Os dados necessários para a escolha destas três variáveis são: a

escala da operação, a termodinâmica e a cinética da reação química.

Termodinâmica: a força motriz das reações é a diferença de entalpia livre entre os

estados inicial e final, cujo valor indica se a reação é possível (ΔGr <0).

Aspectos cinéticos: reatividade depende da diferença de entalpia livre entre os estados

inicial e ativado e indica o quão rápido o sistema se move em direção ao equilíbrio.

2.9.1 Reator Continuo de Tanque Agitado (CSTR)

É também chamado de reator de retromistura, utilizado principalmente para reações

em fase liquida, normalmente operado em estado estacionário e necessita de uma misturação

homogênea, consequentemente, a temperatura, a concentração e a velocidade não dependem

do tempo ou da posição. Uma vez que a temperatura e a concentração são idênticas em

qualquer ponto do reator, deve-se considerar que a temperatura e a concentração de saída do

reator são idênticas as encontradas no seu interior. Por esse motivo os CSTR são considerados

reatores ideais. Em sistemas onde a misturação não é ideal deve-se recorrer a outros métodos

de modelagem, tais como distribuições de tempo de residência, para obtenção de resultados

_______________ 3 Informação retirada de: Curso en línea em Ingeniería Química de reacción en la Universidad de Madrid:FUNDAMENTOS Y TIPOS DE REACTORES - Capítulo 1. Disponível em: <http://ocw.upm.es/ingenieria-quimica/ingenieria-de-la-reaccion-quimica/contenidos/OCW/LO/cap1.pdf>. Acesso em: 28 jun. 2011. ( traduçãonossa).




23

significativos.

Segundo Pereira (2009), o reator CSTR é usado extensivamente na indústria de

processos químicos. Consiste em tanques cilíndricos agitados que possuem misturação

perfeita. Podem ser dispostos em múltiplos tanques individuais sem conexões entre si, podem

ainda ser conectados em paralelo, ou ainda ser dispostos em série com o intuito de otimizar a

cadeia produtiva. Para minimizar as necessidades de bombas e manutenção, freqüentemente

escolhe-se fluxo por gravidade entre os estágios. Reatores CSTR são empregados quando

trabalha-se com sólidos ou líquidos, não sendo recomendados para operações a altas pressões.

Em muitos aspectos como mecânicos e de transferência de calor, são similares aos

reatores batelada. Entretanto, é necessário ter uma entrada para adição contínua de reagentes e

uma saída para corrente de produtos.

As equações descritas abaixo foram retiradas e reconfiguradas de LEVENSPIEL, 2000e FOGLER, 2009.

A taxa molar de um reagente A que é alimentado no sistema menos a taxa molar do

reagente A que é consumido no sistema é igual a taxa molar de A que sai no sistema, isso se

traduz na equação 2.11:

A A A F X F F 00 (2.11)

Rearranjando a equação 2.11 temos:

)1(0 X F F A A (2.12)

A equação para calcular o volume de um reator CSTR é:

)()(0

A

A A

A

A A

r

X F

r

F F V

(2.13)

Aplicando-se o conceito de tempo espacial, tem-se:

τ)(0

A

A A

r

X F v

(2.14)

Isolando-se o tempo espacial, tem-se:

)(0

A

A A

r

X C

(2.15)

Para sistemas a volume constante A A A A C C X C 00 , e então a equação 2.15 passa a

ser:

)(0

A

A A

r

C C

(2.16)




24

2.9.2 Reator Tubular de Fluxo Pistonado (PFR)

Consiste em um tubo cilíndrico, operado geralmente em estado estacionário, onde os

reagentes normalmente se encontram em estado gasoso, porém, podendo acontecer em estado

liquido. Os fluidos são mecanicamente deslocados ao longo do tubo, de modo que, os

reagentes são continuamente consumidos à medida que eles escoam ao longo do reator. Na

modelagem de um PFR, é considerado que a concentração varie apenas na direção axial do

reator. Consequentemente, a velocidade da reação (-r A), que é uma função da concentração

para todas as reações, exceto as de ordem zero, variará também axialmente.

As equações descritas abaixo foram retiradas e reconfiguradas de LEVENSPIEL, 2000

e FOGLER, 2009.A equação geral para calcular o volume de um reator PFR esta disposta 2.17:

)(00 A

A XA

Ar

dX F V

(2.17)

Aplicando-se o conceito de tempo espacial, tem-se, então, que:

τ)(000

A

A XA

Ar

dX F v

(2.18)

Isolando-se o tempo espacial, tem-se:

)(00 A

A XA

Ar

dX C

(2.19)

Para sistemas a volume constante )0( A , tem-se que A A A A dX C C C 00 , que

conduz a relação A A A dX C dC 0 , que sendo substituída em 2.19 conduz a:

)(0 A

ACA

CA r

dC

(2.20)

2.10 Combinação de Reatores

Reatores químicos podem ser dispostos independentemente, combinados em série ou

paralelo.

De acordo com Pereira 2009, para qualquer tarefa particular e para todas as ordens

positivas de reação, o reator de mistura perfeita é sempre maior que o reator de fluxo

pistonado, para uma mesma alimentação e mesma conversão. A razão de volumes aumenta




25

com a ordem de reação. Quando a conversão é pequena, o desempenho do reator é só

levemente afetado pelo tipo de escoamento. A razão de desempenhos aumenta muito

rapidamente a altas conversões, conseqüentemente, uma representação apropriada do

escoamento se torna muito importante nesta faixa de conversão.

Boniatti (2009), ressalta que, a variação de densidade durante a reação afeta o projeto,

entretanto, ela é normalmente de importância secundária quando comparada com a diferença

no tipo de escoamento.Para as reações em paralelo, a variável fundamental que se deve

manipular para aumentar o rendimento do produto desejado é a concentração. Por outro lado,

nas reações em série, a variável mais importante é o tempo (tempo espacial para reatores em

fluxo contínuo).

2.10.1 Reatores em ParaleloSegundo Pereira (2009), a combinação de reatores tubulares de fluxo pistonado em

paralelo é muito utilizada na indústria, e é muito comum que os diferentes reatores

combinados em paralelo sejam arranjados de modo a terem o mesmo volume. Neste caso, a

vazão de alimentação é constante para cada um dos diferentes reatores, o que fará com que o

tempo espacial (τ) se mantenha constante. Consequentemente, a operação de sistemas com

diferentes reatores tubulares em paralelo só levará a máxima eficiência de produção se o

tempo espacial (τ) para cada reator for constante. Qualquer outra forma de alimentação onde τ

não seja mantido o mesmo em todos os reatores conduzirá a uma menor eficiência do sistema.

Segundo Boniatti (2009), para se obter uma conexão ótima de reatores pistonados

ligados em paralelo pode-se tratar o sistema inteiro como um único reator pistonado. O

volume deste único reator será igual ao volume total das unidades individuais, se a

alimentação for distribuída de tal maneira que as correntes fluidas que se encontram tiverem a

mesma composição. Para isso ocorrer para reatores em paralelo, o tempo espacial do

diferentes reatores arranjados tem que ser o mesmo para cada linha paralela. Qualquer outra

maneira de alimentação é menos eficiente.

2.10.2 Reatores em Série

Fogler (2005) diz que, reatores podem ser conectados em série , de modo que a

corrente de saída de um reator é a corrente de alimentação para outro reator. Quando esse

arranjo é usado, frequentemente é possível acelerar os cálculos, definindo a conversão em




26

termos de um ponto a jusante em vez da conversão em relação a qualquer um dos reatores.

Para reatores em série a conversão é encontrada através da equação 2.21:

(2.21)

De acordo com Levenspiel (2000), considerando um sistema de diferentes reatores de

mistura perfeita, com mesma capacidade e conectados em série, a concentração pode ser dita

uniforme em cada reator, porém, ocorrerá uma variação na concentração conforme o fluido se

move de um reator a outro. A diminuição gradual da concentração sugere que quanto maior

for o número de unidades em série, mais o sistema se comporta como escoamento pistonado.

Como regra geral, com reatores de mistura perfeita, é mais conveniente desenvolver

equações em termos de concentrações do que em termos de conversões

2.11 Simulador de Processos Aspen Plus

O simulador Aspen Plus é produzido e mantido pela Aspen Tech. A grande vantagem

deste simulador em relação aos demais advêm do seu conjunto de pacote termodinâmicos. Os

modelos termodinâmicos implementados neste simulador para o calculo e estimativa de

propriedades físico-químicas, tanto de componentes puros como de misturas possuemquantidade e qualidade superiror em relação aos demais simuladores comerciais.

Em cinética e cálculo de reatores químicos, muitos problemas recaem em sistemas de

equações algébricas e/ou diferenciais, o que é, algumas vezes, de resolução trabalhosa por

meios analíticos, quando estas existem4(RODRIGUES et al., 2006). Por esse motivo a

utilização de ferramentas computacionais para a solução destes problemas se faz necessário.

Os simuladores de processo, dependendo de sua estrutura e forma de funcionamento, podem

auxiliar na resolução destas tarefas.

“Um modelo é qualquer objeto, concreto ou abstrato, utilizado para explicar umfenômeno. Na visão da engenharia, consiste num certo conjunto de dados e idéiasabstratas para explicar um fenômeno de interesse e relacionar as variáveis de

problemas. Um modelo de engenharia se torna matemático quando atinge seu ápice,sendo possível estabelecer relações quantitativas precisas entre as variaveis ”(PINTO E LAGE, 2001, apud RODRIGUEZ, 2011, p. 19).

_______________ 4 Informação fornecida por R. Rodrigues et al no XVI Congresso Brasileiro de ENGENHARIA QUÍMICA, em24 de setembro de 2006, no III Congresso Brasileiro de TERMODINÂMICA APLICADA – CB TERMO,Santos, 24 a 27 de setembro de 2006.




27

O simulador de processos Aspen Plus possui inúmeras ferramentas computacionais de

análise e simulação de processos, este trabalho tem por finalidade a utilização de ferramentasvoltadas a cálculos de reatores químicos, especificamente, reatores CSTR e PFR. Os

próximos tópicos irão abranger o funcionamento de dois diferentes tipos de ferramentas do

Simulador Aspen Plus, ligadas ao projeto de reatores contínuos, a saber: RCSTR e RPFR.

2.11.1 RCSTR ( Reator Continuo de Tanque Agitado)

RCSTR é um modelo usado rigorosamente para prever variações de fatores intrínsecos

de reações químicas em reatores contínuos de tanque agitado. É necessário conhecer a

cinética das reações e o equilíbrio químico, podendo-se utilizar modelos termodinâmicos pré-

definidos no simulador e escolhidos de acordo com a reação a ser simulada.

Segundo ASPEN TECHNOLOGY (2003), a simulação no reator CSTR necessita as

seguintes especificações conforme mostrado na tabela 2.1:

TABELA 2.1Ícones e recursos do reator CSTR

Ícone Recursos

Setup Especificar as condições operacionais do reator, selecionar as reações a

serem efetuadas, selecionar atributos PSD e correntes de saída do reator.

Convergence Especificar estimativas de taxas de fluxo de componentes, temperatura do

reator, volume do reator, parâmetros de convergência flash.

BlockOptions Permite substituir os valores globais para as propriedades físicas.

Results Resultados de balanço de massa e balanço de energia para a reação

desejada.

Dynamic Permite especificar parâmetros para simulações dinâmicas.

2.11.1.1 Flowshet Connectivity RCSTR (Fluxograma para um CSTR)

Permite a construção de fluxogramas, com entradas, saídas e correntes de calor

presentes em um processo de reatores contínuos de tanque agitado, conforme mostrado na




28

Figura 2.3:

Fonte: ASPEN TECHNOLOGY, INC. Aspen Plus 12.1 Unit Operation Models

FIGURA 2.3 – Fluxograma de Construção de um Reator CSTR.

2.11.1.2 Material Streams ( Fluxo de Materiais)

Na entrada deve ser designado pelo menos um fluxo de material. Na saída deve ser

designado outro fluxo material.

Na entrada do reator podem-se adicionar tantas correntes de calor quantas forem

necessárias, sendo opcionais as correntes de calor. O RCSTR usa a soma dos fluxos de calor

de entrada como o calor de especificação, se o mesmo não for informado. Na saída do reator o

valor do fluxo de calor é igual a entrada de fluxos de calor menos o dever de

calor calculado) para o reator.

2.11.1.3 Specifyng (Especificações)

Devem ser especificadas as condições de operação do reator, que são, pressão,

temperaturas, calor e também deve-se inserir o volume do reator ou o tempo de residência.

Além de especificar a cinética da reação, deve-se estipular o número de fases contidas na

reação, podendo utilizar-se do equilíbrio das fases.

2.11.2 RPlug ( Reator Tubular de Fluxo Pistonado)

É um modelo que assume que a mistura perfeita ocorre na direção radial e que

nenhuma mistura ocorre na direção axial do tubo. O RPlug abrange reações cinéticas,

incluindo reações envolvendo sólidos. Deve-se conhecer a cinética da reação através de




29

modelos pré-definidos pelo simulador Aspen Plus ou deve ser fornecido na rotina de

simulação.

Segundo ASPEN TECHNOLOGY (2003), a simulação no reator CSTR necessita das

mesmas especificações mostradas na tabela 2.2:

2.11.2.1 Flowshet Connectivity for RPlug ( Fluxograma para um PFR)

Permite a construção de fluxogramas, com entradas, saídas e correntes de calor

presentes em um processo de reatores de tubulares de fluxo pistonado, conforme mostrado na

figura 2.4:

Fonte: ASPEN TECHNOLOGY, INC. Aspen Plus 12.1 Unit Operation Models

FIGURA 2.4 – Fluxograma de Construção de um Reator PFR.

2.11.2.2 Material Streams ( Fluxo de Materiais)

Na entrada deve ser designado pelo menos um fluxo de material. Na saída deve ser

designado outro fluxo material.

2.11.2.3 Specifyng (Especificações)

Pode-se utilizar um fluxo de calor de saída, é necessário especificar o comprimento do

tubo do reator, se o reator for constituído de tubos múltiplos, deve-se inserir essa informação,

deve ser especificada a queda de pressão em todo o reator.




30

3 METODOLOGIA

O Trabalho de Conclusão de Curso I consistiu no estudo das reações químicas

combinadas com o simulador Aspen Plus e seu modo de operação, este ultimo sendo dividido

nas seguintes partes:- Como elaborar um fluxograma em série e em paralelo incluindo as correntes de

massa e calor;

- Como acessar o banco de dados de componentes;

- Como escolher o pacote termodinâmico mais adequado;

- Como inserir as variáveis de operação do reator: queda de pressão, temperatura,

vazão e composição das fases presentes;

- Como inserir a estequiometria e a cinética da reação;

- Como correr uma simulação.




31

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Neste capitulo serão abordados os resultados do estudo do simulador Aspen plus,

seguindo a metodologia mostrada no capítulo 3.

4.1 Como Elaborar um Fluxograma em Série e em Paralelo Incluindo as Correntes de

Massa e Calor

Embora o simulador Aspen Plus apresente diversos módulos específicos como por

exemplo, tecnologia pinch, polímeros, entre outros, para esse projeto foi usado o módulo

Aspen Plus User Interface, conforme mostrado na figura 4.1.

FIGURA 4.1 – Tela de Abertura do Aspen Plus User Interface 11.1

O primeiro passo, a ser executado na simulação, é a criação do fluxograma de

processos através da escolha dos equipamentos e interligação entre eles. A figura 4.2 mostra a

janela de Flowsheet para a categoria Reatores Químicos, havendo opção de reatores do tipo:

estequiométricos, de rendimento, de Gibbs, CSTR, PFR e batelada. A diferença entre eles está

nas características da reação como: reversibilidade, estequiometria e cinética. Nesse projeto

serão utilizados os tipos RCSTR e RPlug.




32

FIGURA 4.2 – janela de construção de fluxograma para reatores químicos.

Também na janela de flowsheet deverão ser inseridas as correntes mássicas ou molares

e de calor que atravessam a superfície do reator. A figura 4.3 mostra um exemplo para CSTR.

FIGURA 4.3 – correntes de massa entrando e saindo de um CSTR.




33

4.2 Como Acessar o Banco de Dados de Componentes

A escolha dos componentes presentes na reação é feita através do banco de dados do

simulador ou, caso não exista no banco de dados, pode ser definida pelo usuário. Nesse caso,

devem ser inseridas propriedades dos componentes que são solicitadas pelo próprio

simulador. Nesse projeto pretende-se usar componentes do banco de dados do Aspen Plus

11.1. A janela para definição dos componentes é mostrada na figura 4.4.

FIGURA 4.4 – janela para definição dos componentes.

4.3 Como Escolher o Pacote Termodinâmico

A escolha do pacote termodinâmico é fundamental para a obtenção de bons resultados.

A figura 4.5 mostra os pacotes existentes no banco de dados do Aspen Plus 11.1. A escolha da

termodinâmica mais adequada é função do estado dos componentes, da polaridade molecular

e solubilidade das misturas.




34

FIGURA 4.5 – janela para especificação do método termodinâmico.

4.4 Como Inserir as Variáveis de Operação do Reator: Queda de Pressão, Temperatura,

Vazão e Composição das Fases Presentes

As propriedades tanto da alimentação quanto dos produtos são alimentadas no

simulador conforme mostrado na figura 4.6. É obrigatório o preenchimento dos campos de

temperatura, pressão ou queda de pressão, vazão e composição de todas as correntes.

FIGURA 4.6 – janela para especificação das correntes.




35

4.5 Como Inserir a Estequiometria e a Cinética da Reação

No trabalho proposto será utilizada a cinética para reações simples na forma de Lei de

Potência com estequiometria conhecida. A figura 4.7 mostra a aba para inserir os coeficientes

estequiométricos da reação, positivo para produtos e negativo para reagentes, assim como aba

para inclusão dos parâmetros cinéticos. Os parâmetros cinéticos obrigatórios são: a constante

de velocidade, a ordem da reação e a energia de ativação.

FIGURA 4.7 – janela para especificação da estequiometria e cinética da reação.

4.6 - Como correr uma Simulação

Para executar a simulação deve-se usar o botão Run, presente no menu principal do

simulador. Os resultados são as vazões, energia, temperatura, pressão e composição de todas

as correntes presentes.




36

5 CONCLUSÃO

O simulador Aspen Plus possui as ferramentas necessárias para simular diferentes

combinações de reatores contínuos para reações de cinética conhecida, através de seus

módulos RCSTR e RPlug. E o módulo de reatores contínuos que será empregado

possibilitará a comparação dos resultados obtidos em simulação computacional com valores

experimentais.




37

6 CRONOGRAMA

A presente proposta de trabalho de conclusão de curso I prevê como cronograma de

execução as seguintes datas e etapas para o trabalho de conclusão de curso II:

TABELA 6.1Cronograma de desenvolvimento do trabalho de conclusão de curso II

Data

(MÊS/2011)Etapa

JUL-AGO Simulação de Sistema de Reatores CSTR em série e em paralelo

JUL-OUT Montagem e treinamento do módulo didático da UNIPAMPA

AG-SET Simulação de Sistema de Reatores PFR em Paralelo

SET-OUT Simulação de combinação de reatores de diferentes tipos (CSTR e PRF)

OUT-NOV Coleta de dados experimentais

NOV Análise de Dados Experimentais

DEZ Elaboração de relatório final de TCC




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Reatores e simulaçao

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