A elaboração do software não foi algo simples, pois muitos dos erros ocorridos no decorrer da escrita do código eram erros de indentação.
Como o software foi desenvolvido como piloto (primeiro), tem muito para melhorar ainda. Dessa forma, não possui formas de se escolher a solução inicial, sendo que esta foi fixada no código. Da mesma forma isso acontece com a tolerância do erro, com o tamanho do passo inicial para o processo iterativo e com o número de iterações, que também foram fixados no código. Sendo assim, o software possui fragilidades nesses campos em que o usuário não possui maneiras de alterar para melhor aproveitamento do programa.
A utilização do software obtido será apresentada com a solução de dois exemplos.
5.1 EXEMPLO 1
O primeiro exemplo consiste em:
Um reator CSTR com um volume de 2280 L, destinado a produção de um produto B e um produto C a partir de um reagente A. Essa reação é reversível e elementar, como mostrado na equação (45):
𝐴 ↔ 𝐵 + 𝐶 (45)
O processo opera a uma vazão volumétrica de 3 Ls-1, sendo que na entrada tem-se o componente A puro a uma concentração de 0,06 molL-1. A constante cinética da reação a 1000 K é de 0,072 s-1. A constante de equilíbrio da reação a 1000 K é de 0,1 molL-1. Neste exemplo deseja-se saber os valores das concentrações de saída dos três componentes, cuja solução é:
CA = 0,018 molL-1 CB = 0,042 molL-1 CC = 0,042 molL-1
Ao utilizar o software, obtido como produto deste trabalho, o usuário navegará por janelas bastante intuitivas, ou seja, que indicarão ao mesmo como proceder. A janela de apresentação (primeira janela), apresentada na Figura 2, indica para que tipo de problemas o software é indicado.
Figura 2 – Janela inicial do software
Fonte: Autoria própria (2019).
Ao clicar no botão “Iniciar”, será mostrada a segunda janela, onde será instruído a como utilizar o software para que consiga utilizá-lo da melhor forma possível. A segunda janela é apresentada na Figura 3.
Figura 3 – Janela de instruções do software
Fonte: Autoria própria (2019).
As instruções explicam que o software pode ser usado para processo com até cinco componentes e ensina como utilizá-lo caso o processo considerado possua menos de cinco componentes. Também instrui quantos parâmetros devem ter seus valores especificados para que o software possa executar a rotina numérica de solução, pois se for especificado um número diferente de parâmetros, não é possível fazer o cálculo.
Como o software considera reações reversíveis, para casos em que a reação é irreversível, indica-se a utilização de um valor bastante elevado para a constante de equilíbrio Kc, pois nas equações de balanço material, a constante de equilíbrio encontra-se no denominador de uma fração, consequentemente, um valor elevado da constante de equilíbrio fará com que o cálculo da fração seja praticamente nulo. O software sugere a utilização de do valor 109, que foi o valor que apresentou interferência praticamente nula nos testes feitos com outros exemplos.
Ao clicar no botão “Próximo”, será mostrada a primeira janela de alimentação de dados. Os primeiros dados a serem fornecidos serão os dados referentes aos coeficientes estequiométricos da reação. Caso o processo considerado possua menos de cinco componentes, deve-se atribuir valor nulo aos coeficientes estequiométricos fornecidos dos componentes que devem ser desconsiderados. Isto é equivalente à especificação de espécies inertes. O software
ainda traz um lembrete de que o coeficiente estequiométrico de reagentes deve ser negativo e de inertes, zero. A terceira janela, onde devem ser especificados os coeficientes estequiométricos, é apresentada na Figura 4.
Figura 4 – Janela de alimentação de dados referentes aos coeficientes estequiométricos da reação
Fonte: Autoria própria (2019).
Com os dados do primeiro exemplo, a janela 3 ficaria conforme ilustrado na Figura 5.
Figura 5 – Janela com dados de coeficientes estequiométricos referentes ao exemplo 1
Fonte: Autoria própria (2019).
Ao clicar no botão “Próximo”, o usuário é direcionado à última janela do
software, ilustrada na Figura 6, no qual informará os dados referentes ao processo
em si. Nesta última janela, caso a reação considerada não possua os cinco componentes, para que o programa consiga realizar o cálculo, devem ser inseridos valores iguais a zero nos campos referentes às concentrações de entrada dos componentes inexistentes.
Figura 6 – Janela final, onde serão calculadas as variáveis de interesse do usuário
Fonte: Autoria própria (2019).
Ao informar os dados do exemplo 1, a última janela ficaria conforme ilustrado na Figura 7.
Figura 7 – Janela final com dados referentes ao exemplo 1
Ao clicar no botão “Calcular”, as funções presentes no código irão calcular a solução e a mesma janela mostrará os resultados indicando as variáveis calculadas na cor verde, conforme ilustrado na Figura 8.
Figura 8 – Janela final com os resultados referentes ao exemplo 1
Fonte: Autoria própria (2019).
Caso o usuário queira verificar novamente o resultado, o mesmo pode clicar no ícone “Limpar” que fará com que as células voltem ao estado inicial, como na Figura 6. Porém, deve-se lembrar que não é possível realizar o cálculo de outro problema apenas clicando em “Limpar”, pois o programa ainda está com os dados dos coeficientes estequiométricos armazenados conforme informados na janela 3 (Figura 5). Para fazer o cálculo de outro problema, o usuário deverá fechar o
software e abri-lo novamente para que as variáveis do código recebam novas
informações.
5.2 EXEMPLO 2
No segundo exemplo tem-se a seguinte reação, exemplificada pela reação (46), do componente A se transformando no produto B:
𝐴 → 𝐵 (46)
Sendo esta reação irreversível e elementar, tem-se como incógnita o volume do reator CSTR necessário considerando uma vazão volumétrica de 10 Ls-1 com reagente A sendo alimentado a uma concentração de 3 molL-1 juntamente com um componente inerte a uma concentração de 0,1 molL-1. A constante cinética é de 0,056 s-1 e a concentração de saída de A 0,9 molL-1.
O resultado, referente ao volume reacional necessário para conduzir esta reação, é de 416,67 L.
Na Figura 9 é apresentada a janela do programa onde foram inseridos os coeficientes estequiométricos para o exemplo em questão. Apesar de haver um inerte na alimentação do reator, como este não participa da reação, o seu coeficiente estequiométrico é zero.
Figura 9 – Janela apresentando os coeficientes estequiométricos referentes ao exemplo 2
Fonte: Autoria própria (2019).
Na Figura 10 é apresentada a última janela do programa, em que foram inseridos os valores dos parâmetros do exemplo 2.
Figura 10 – Janela apresentando os dados referentes ao exemplo 2
Fonte: Autoria própria (2019).
Ao clicar no botão “Calcular” obtem-se o resultado do exemplo 2, apresentado na Figura 11.
Figura 11 – Janela final apresentando os resultados referentes ao exemplo 2
O componente inerte, que não participa da reação, não deve alterar seu valor de concentração, e, conforme calculado, não alterou.
Os exemplos mostrados foram apenas formas de utilização, mostrando como utilizar o software. Porém o principal enfoque do programa é a sua utilização para qualquer conjunto de incógnitas dentre aquelas presentes no software, para qualquer reação química, desde que o número de componentes presentes no processo/reação seja menor ou igual a 5, sempre levando em consideração as hipóteses simplificadoras descritas no início da obtenção do modelo matemático.
6 CONCLUSÃO
Neste trabalho obteve-se um software para problemas de dimensionamento de reatores CSTR operando isotermicamente, podendo envolver até cinco componentes (incluindo os componentes inertes) no processo reacional. O grande diferencial do software é a possibilidade de escolher um conjunto de incógnitas com número igual ao número de componentes com os outros parâmetros devendo ter seus valores especificados.
Foram apresentados os testes feitos com o software para resolver dois casos simples, sendo que nestes casos o software, com o algoritmo utilizado que foi desenvolvido em linguagem de programação Python, se mostrou eficiente. No entanto, faz-se necessária a realização de teste complementares para explorar melhor a capacidade do software desenvolvido.
O software pode ser utilizado em universidades por estudantes, professores e pesquisadores. Pode ser usado em empresas por apresentar uma interface intuitiva e de fácil compreensão. A cada janela usada está uma nova explicação, para que o usuário compreenda da melhor forma possível o que necessita ser feito e ter o melhor aproveitamento do software.
Dessa forma, alcançou-se com sucesso o objetivo do trabalho, que era o desenvolvimento de um software que resolvesse problemas de dimensionamento de reatores do tipo CSTR.
Como é um programa em escala piloto, muito pode se aperfeiçoar, tanto em questão de código, como em questão de interface gráfica.
Sugestões para trabalhos futuros seriam:
Trabalhar com a variável conversão, que descreve muito o comportamento de uma reação;
Considerar reações em fase gasosa, levando em conta o fator de expansividade volumétrica;
Supor variação na temperatura do processo, ou seja, trabalhar com reator não isotérmico;
Considerar outras constantes para cálculo, como tempo espacial e número de Damkhöler.
REFERÊNCIAS
BURDEN, R. L.; FAIRES, J. D.; BURDEN, A. M. Análise Numérica. 3. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2015, p. 704.
DUARTE, A. P. S.; ORELLANA, M. H. B.; CAMPOS, R. P. Uso do Software Livre Aplicado à Engenharia Química. Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2011.
FOGLER, H. S. Cálculo de Reatores: O Essencial da Engenharia das Reações Químicas. 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2014, p. 6-11.
HIMMELBLAU, D. M.; RIGGS, J. B. Engenharia Química: Princípios e Cálculos. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2014, p. 91-95.
LEVENSPIEL, O. Engenharia das Reações Químicas. 3. ed. São Paulo: Blucher, 2000, p. 4-5.
MONGELLI, L. T. Indústria 4.0 e suas principais características. BetaEQ. 2019. Disponível em: <https://betaeq.com.br/index.php/2019/11/04/industria-4-o-e-suas- principais-caracteristicas/>. Acesso em: 12 nov. 2019.
PERKOVIC, L. Introdução à Computação usando Python: um foco no desenvolvimento de aplicações. 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016, p. 8.
PINTO, J. C.; LAGE, P. L. C. Métodos Numéricos em Problemas de Engenharia Química. Rio de Janeiro: E-papers Serviços Editoriais Ltda, 2001, p. 64.
ROBERTS, G. W. Reações Químicas e Reatores Químicos. 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2010, p. 16-23.
RUGGIERO, M. A. G.; LOPES, V. L. R. Cálculo Numérico: Aspectos teóricos e computacionais. 2. ed. São Paulo: Pearson Makron Books, 1996, p. 192-200.
RUSSEL, J. B. Química Geral. 2. ed. São Paulo: Pearson Makron Books, 1994, p. 16.
SANTANA, L. Por que o Python é considerado a melhor linguagem de programação à frente do JavaScript e do C++? Sempre Update. 2019. Disponível em: <https://sempreupdate.com.br/por-que-o-python-e-considerado-a-melhor- linguagem-de-programacao-a-frente-do-javascript-e-do-c/>. Acesso em: 26 nov. 2019.
SANTOS, T. M. Um Estudo sobre a Resolução de Sistemas não Lineares: Perspectivas Teóricas e Aplicações. 2016. 116 f. Tese (Doutorado em Matemática Aplicada) – Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2016.
VAZ, W. Saiba mais como o python surgiu e qual o cenário agora. Eu sou DEV, 2018. Acesso em: < https://eusoudev.com.br/python-como-surgiu/>. Acesso em: 10 jun. 2019.
VIEIRA, Gilberto. Qual a Importância dos Softwares de Automação para Engenheiros? Blog dos Engenheiros, 2018. Disponível em: <http://blogdosengenheiros.com.br/importancia-dos-softwares-de-automacao-para- engenheiros/>. Acesso em: 04 maio. 2019.
APÊNDICE A – CÓDIGO PYTHON