BALANÇOS DE MASSA EM PROCESSOS COM REAÇÃO

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1 BALANÇOS DE MASSA EM PROCESSOS COM REAÇÃO PROF. MARCELO HENRIQUE 2 BALANÇOS COM REAÇÃO QUÍMICA A diferença agora é que aparecerão na equação do balanço, além dos termos ENTRA e SAÍDA, os termos GERAÇÃO e CONSUMO, que se relacionam às espécies envolvidas nas transformações químicas. Devido à estequiometria relacionar quantidades molares (não mássicas) consumidas de reagentes e geradas de produtos, nos processos que envolvem reação química devemos realizar balanços molares. Considere a seguinte equação estequiométrica geral: aa + bb cd + dd A partir desta, podemos escrever as relações: CONSOME (A) CONSOME (B) GERA (C) = = a b c = GERA (D) d 1

2 3 ESTEQUIOMETRIA Considere, por exemplo, a reação de decomposição do peróxido de hidrogênio H 2 O 2 : 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 A relação entre as quantidades reagidas é dada por: CONSOME H 2 O 2 = GERA H 2O = GERA O Portanto temos que: CONSOME H 2 O 2 = GERA H 2 O = 2 GERA O 2 4 REAGENTES EM PROPORÇÃO ESTEQUIOMÉTRICA Os reagentes de uma reação estarão em proporção estequiométrica quando a relação molar na alimentação do reator for igual à relação estequiométrica: 2A + B A 2 B A proporção estequiométrica é dada por: n A n B = 2 1 Por exemplo, se alimentarmos 200 mols de A, devemos alimentar 100 mols de B para que seja mantida a proporção estequiométrica. 2

3 5 REAGENTE LIMITANTE E REAGENTE EM EXCESSO Quando os reagentes não são alimentados na proporção estequiométrica, aquele que estiver em menor quantidade do que a proporção, é denominado reagente limitante. Logo os demais reagentes encontram-se em excesso. Suponha que n mols de um reagente em excesso estejam presentes e que n e é o número de mols que corresponde à proporção estequiométrica, sendo que n > n e. A porcentagem de excesso é dada por: % excesso = n n e 100% n e 6 REAGENTE LIMITANTE E REAGENTE EM EXCESSO Considere a reação N 2 + 3H 2 2NH 3, e suponha que 30 mols de N 2 /h e 60 mols H 2 /h sejam alimentados ao reator. A proporção estequiométrica mostra que: n N2 n H2 = 1 3 A relação molar na alimentação é dada por: n N2 n H2 = = 1 2 Para que a proporção estequiométrica fosse estabelecida, o N 2 deveria ser alimentado à vazão de 20 mols/h, ou o H 2 deveria ser alimentado à vazão de 9 mols/h. Logo: % excesso de N 2 = 100% = 50% 20 3

4 7 CONVERSÃO Outro parâmetro importante é o grau de conversão do reagente limitante. É importante num processo que na saída a quantidade de reagente remanescente seja a mínima possível. A conversão de um reagente A X A é: mols reagidos de A X A = mols alimentados de A A fração não reagida de A, é portanto, 1 X A. Quando o processo for em batelada: mols iniciais de A mols finais de A X A = mols iniciais de A Se o processo for contínuo: mols de A na entrada mols de A na saída X A = mols de A na entrada 8 EXTENSÃO DA REAÇÃO Imagine a seguinte reação química: C 2 H 2 + 2H 2 C 2 H 6 Vamos definir uma quantidade ν i como sendo o coeficiente estequiométrica da espécie i na reação química, e fazer que ele seja positivo para produtos e negativo para reagentes. Logo, para a reação acima: ν C2 H 2 = 1, ν H2 = 2, ν C2 H 2, ν C2 H 6 = +1 Então, se n i0 são os mols da espécie i na alimentação: n i = n i0 + ν i ξ A grandeza ξ, que tem as mesmas unidades de n, é chamada de EXTENSÃO DA REAÇÃO. 4

5 9 EXTENSÃO DA REAÇÃO Considere uma outra reação, a de formação da amônia: N 2 + 3H 2 2NH 3 Suponha que a alimentação do reator é de 100 mols/s de nitrogênio, 300 mols/s de hidrogênio e 1 mol/s de argônio (gás inerte). Podemos escrever: n N2 = 100 mols ξ s n H2 = 300 mols 3 ξ s n NH3 = 2 ξ n A = 1 mols s Exemplo: Para uma conversão de 60% de hidrogênio, qual a vazão de saída do hidrogênio, a extensão da reação e as vazões de saída do nitrogênio e da amônia? 10 EXEMPLO A acrilonitrila é produzida pela reação entre propileno, amônia e oxigênio: C 3 H 6 + NH O 2 C 3 H 3 N + 3H 2 O A alimentação contém 10,0% molar de propileno, 12,0% molar de amônia e 78% molar de ar. Uma conversão de 30,0% do reagente limitante é atingida. Tomando como base de cálculo 100 mols de alimentação, determine qual é o reagente limitante, a porcentagem de excesso dos outros componentes e as vazões molares de todos os produtos. 5

6 11 REAÇÕES MÚLTIPLAS, RENDIMENTO E SELETIVIDADE Na maior parte das reações químicas, os reagentes são combinados como objetivo de produzir um determinado produto em uma única reação química. Mas os reagentes podem combinar-se em mais de uma forma, e o produto formado pode, por sua vez, reagir para transformar em algum outro produto menos desejável. Exemplo: C 2 H 6 C 2 H 4 + H 2 C 2 H 6 + H 2 2CH 4 C 2 H 4 + C 2 H 6 C 3 H 6 + CH 4 12 REAÇÕES MÚLTIPLAS, RENDIMENTO E SELETIVIDADE mols formados do produto desejado Rendimento = mols que teriam se formado se não houvesse reações paralelas e se o reagente limeitante reagisse completamente O rendimento é sempre uma fração (pode ser expresso em % ao multiplicarmos por 100%). mols formados do produto desejado Seletividade = mols formados do produto não desejado Se A é o produto desejado e B é um produto indesejado, nos referimos à seletividade de A em relação a B. Altos valores de rendimento e de seletividade significam que as reações paralelas indesejadas foram suprimidas com sucesso em relação à reação desejada. 6

7 13 REAÇÕES MÚLTIPLAS, RENDIMENTO E SELETIVIDADE O conceito de extensão da reação pode ser estendido a reações múltiplas, só que cada reação independente tem a sua própria extensão da reação. n i = n i0 + j ν ij ξ j Por exemplo, para as seguintes reações: C 2 H O 2 C 2 H 4 O C 2 H 4 + 3O 2 2CO 2 + 2H 2 O 14 REAÇÕES MÚLTIPLAS, RENDIMENTO E SELETIVIDADE n C2 H 4 saída = n C2 H 4 0 ξ 1 ξ 2 n O2 saída = n O2 0 0,5ξ 1 3ξ 2 n C2 H 4 O saída = n C2 H 4 O 0 + ξ 1 n CO2 saída = n CO ξ 2 n H2 O saída = n H2 O 0 + 2ξ 2 7

8 15 EXEMPLO As reações abaixo ocorrem em um reator contínuo em estado estacionário. A alimentação contém 85,0% molar de etano e o resto são inertes. A conversão do etano é 0,501, e o rendimento do etileno é 0,471. Calcule a composição molar do produto gasoso e a seletividade da produção do etileno em relação ao metano. C 2 H 6 C 2 H 4 + H 2 C 2 H 6 + H 2 2CH 4 8