LISTA DE EXERCÍCIOS UNIDADE II (BALANÇOS DE MASSA COM REAÇÃO QUÍMICA)

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO CENTRO DE ENGENHARIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E TECNOLOGIA DISCIPLINA: PRINCÍPIOS DOS PROCESSOS QUÍMICOS PROFESSOR: FREDERICO RIBEIRO DO CARMO LISTA DE EXERCÍCIOS UNIDADE II (BALANÇOS DE MASSA COM REAÇÃO QUÍMICA) 1. O acetileno é hidrogenado para formar etano. A alimentação do reator contém 1,50 mol H 2 /mol C 2 H 2. a) Calcule a razão estequiométrica de reagente (mols H2 que reagem/mol C 2 H 2 que reage). b) Determine o reagente limitante e calcule a percentagem pela qual o outro reagente está em excesso. c) Calcule a vazão mássica de alimentação de hidrogênio (kg/s) necessária para produzir toneladas métricas de etano por ano, admitindo que a reação seja completa e que o processo opere por 24 horas por dia, 300 dias por ano. d) Existe uma desvantagem muito séria ao operar o processo com um reagente em excesso em vez de alimentar os reagentes na proporção estequiométrica. Qual é? [Dica: No processo da Parte (c), em que consiste o efluente do reator e o que provavelmente deverá ser feito antes que o etano produzido possa ser vendido ou usado?] 2. A amônia é queimada para formar ácido nítrico na seguinte reação: 4NH 3 + 5O 2 4NO + 6H 2 O a) Calcule a razão (lb-mol O 2 que reage/lb-mol NO formado). b) Se a amônia alimenta um reator contínuo com uma vazão de 100,0 kmol NH 3 /h, que vazão de alimentação de oxigênio (kmol/h) corresponderia a 40,0% de excesso de O 2? c) Se 50,0 kg de amônia e 100,0 kg de oxigênio alimentam um reator em batelada, determine o reagente limitante, a percentagem de excesso do outro reagente, a extensão da reação (mol) e a massa de NO produzido (kg), admitindo que a reação é completa. 3. O processo respiratório envolve hemoglobina (Hgb), um composto contendo ferro encontrado nas células vermelhas do sangue. No processo, dióxido de carbono difunde de células de tecido como CO 2 molecular, enquanto O 2 simultaneamente entra nas células de tecido. Uma fração significativa do CO 2 deixando as células de tecido entra nas células vermelhas do sangue e reage com a hemoglobina; o CO 2 que não entra nas células vermelhas do sangue (1 na figura adiante) permanece dissolvido no sangue e é transportado para os pulmões. Parte do CO 2 entrando nas células vermelhas do sangue reage com a hemoglobina para formar um composto (Hgb CO 2 ; 2 na figura). Quando as células vermelhas do sangue chegam aos pulmões, Hgb CO 2 se dissocia, liberando CO 2 livre. Enquanto isso, o CO 2 que entra nas células vermelhas do sangue mas não reage com a hemoglobina combina com água para formar ácido carbônico, H 2 CO 3, que se dissocia em íons hidrogênio e íons bicarbonato (3 na figura). Os íons bicarbonato difundem para fora das células (4 na figura) e os íons são transportados para os pulmões via a corrente sanguínea. Para humanos adultos, cada decilitro de sangue transporta um total de 1, mol de dióxido de carbono em suas várias formas (CO 2 dissolvido, Hgb CO 2 e íons bicarbonato) dos tecidos para os pulmões sob condições normais, de

2 repouso. Do CO 2 total, 1, mol são transportados como íons bicarbonato. Em um típico adulto humano em repouso, o coração bombeia aproximadamente 5 litros de sangue por minuto. Você foi solicitado a determinar quantos mols de CO2 estão dissolvidos no sangue e quantos mols de Hgb CO 2 são transportados para os pulmões durante uma hora de respiração. a) Desenhe e rotule completamente um fluxograma e faça uma análise de graus de liberdade. Escreva as reações químicas que ocorrem e gere, mas não resolva, um conjunto de equações independentes relacionando as variáveis desconhecidas no fluxograma. b) Se você tem informação suficiente para obter uma solução numérica única, faça-o. Se você não tem informação suficiente, identifique uma parte/partes de informação que (se conhecida) permitiria você resolver o problema e mostre que você poderia resolver o problema se aquela informação fosse conhecida. c) Quando alguém perde uma grande quantidade de sangue devido a um ferimento, ele entra em choque : seu volume total de sangue é baixo e o dióxido de carbono não é eficientemente transportado para fora dos tecidos. O dióxido de carbono reage com a água nas células do tecido para produzir concentrações muito altas de ácido carbônico, parte do qual pode se dissociar (como mostrado neste problema) para produzir altos níveis de íons hidrogênio. Qual é o efeito provável desta ocorrência no ph do sangue perto do tecido e das células do tecido? Como isto deve afetar a pessoa ferida? 4. Uma corrente contendo H 2S e gases inertes e uma segunda corrente de SO 2 puro alimentam um reator de recuperação de enxofre, onde ocorre a reação: 2H 2 S + SO 2 3S + 2H 2 O As vazões de alimentação são ajustadas de tal forma que a razão de H 2 S para SO 2 na alimentação combinada é sempre estequiométrica. Na operação normal do reator, tanto a vazão quanto a composição da corrente de alimentação de H 2 S flutuam. No passado, cada vez que uma destas variáveis mudava, a vazão de alimentação de SO 2 devia ser ajustada por uma válvula na linha de alimentação. Recentemente foi instalado um sistema de controle para automatizar este processo. A corrente de alimentação de H 2 S passa através de um medidor de fluxo eletrônico que transmite um sinal R f diretamente proporcional à vazão molar da corrente, ṅ f. Quando ṅ f = 100 kmol/h, o sinal transmitido R f = 15 mv. A fração molar de H 2 S nesta corrente é medida com um detector de condutividade térmica, que transmite um sinal R a. Os dados de calibração para este analisador aparecem a seguir. R a (mv) 0,00 25,4 42,8 58,0 71,9 85,1 x (mol H 2 S/mol) 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 O controlador recebe os valores transmitidos de R f e R a e calcula e transmite um sinal de tensão, R c, para uma válvula de controle de fluxo na linha de SO 2, que abre e fecha dependendo do valor de R c. Um gráfico da vazão de SO 2, ṅ c versus R c em coordenadas retangulares é uma linha reta que passa pelos pontos (R c = 10,0 mv, ṅ c = 25,0 kmol/h) e (R c = 25,0 mv, ṅ c = 60,0 kmol/h). a) Por que seria importante alimentar os reagentes na proporção estequiométrica? (Dica: O SO 2 e especialmente o H 2 S são poluentes perigosos.) Quais poderiam ser as razões para querer automatizar o ajuste da vazão de alimentação de SO 2? b) Se a primeira corrente contém 85,0% molar H 2 S e entra na unidade com uma vazão ṅ f = 3, kmol/h, qual deve ser o valor de ṅ c (kmol SO 2 /h)? c) Ajuste uma função aos dados de calibração do analisador de H 2 S para deduzir uma expressão para x como função de R a. Cheque o ajuste traçando as curvas da função e dos dados de calibração no mesmo gráfico.

3 d) Deduza uma fórmula para R c a partir dos valores especificados de R f e R a, usando o resultado da parte (c). (Esta fórmula seria implementada no controlador.) Teste a fórmula usando os dados de vazão e composição da Parte (a). e) O sistema é instalado e posto para funcionar, e, em algum momento, a concentração de H 2 S na corrente de alimentação muda subitamente. Uma amostra da mistura gasosa é coletada e analisada logo após e descobre-se que a razão molar de H 2 S para SO 2 não é a razão 2:1 requerida. Liste tantas razões quantas possa pensar para esta aparente falha do sistema de controle. 5. A reação entre etileno e brometo de hidrogênio para formar brometo de etila é conduzida em um reator contínuo. A corrente de produto é analisada, contendo 51,7% molar C 2 H 5 Br e 17,3% HBr. A alimentação do reator contém apenas etileno e brometo de hidrogênio. Calcule a conversão fracional do reagente limitante e a percentagem pela qual o outro reagente está em excesso. Se a vazão molar da corrente de alimentação é 165 mol/s, qual é a extensão da reação? 6. No processo Deacon para a fabricação de cloro, HCl e O 2 reagem para formar Cl 2 e H 2 O. Alimenta-se o ar (79% molar N 2, 21% O 2 ) o suficiente para fornecer 35% de excesso de oxigênio, e a conversão fracional de HCl é 85%. a) Calcule as frações molares dos componentes na corrente de produto usando balanços de espécies atômicas. b) Calcule de novo as frações molares na corrente de produto usando agora a extensão da reação. c) Uma alternativa ao uso de ar como fonte de oxigênio seria usar oxigênio puro no reator. Usar oxigênio implica um custo extra significativo em relação ao uso de ar, mas também oferece potencial para uma considerável economia. Especule sobre quais poderiam ser os custos e a economia. Qual seria o fator determinante para escolher de que forma operar o processo? 7. Nanotubos de carbono (NTC) estão entre os mais versáteis materiais básicos em nanotecnologia. Estes materiais de carbono puro únicos se parecem com folhas enroladas de grafite com diâmetros de vários nanômetros e comprimentos de até vários micrômetros. Eles são mais fortes que o aço, tem condutividades térmicas maiores do que a maioria dos materiais conhecidos e tem condutividades elétricas como aquela do cobre, mas com maior capacidade de conduzir corrente. Transistores moleculares e biosensores estão entre suas muitas aplicações. Enquanto a maior parte da pesquisa em nanotubos de carbono foi baseada em sínteses em escala de laboratório, aplicações comerciais envolvem grandes processos de escala industrial. Em um tal processo, monóxido de carbono saturado com um composto organo-metálico (ferro penta-carbonila) é decomposto a altas temperatura e pressão para formar NTC. Carbono amorfo e CO 2. Cada molécula de NTC contém cerca de 3000 átomos de carbono. As reações pelas quais tais moléculas são formadas são: Decomposição de Fe(CO) 5 para formar ferro, que catalisa a Reação (2) Decomposição do CO para formar NTC Decomposição de CO para formar carbono amorfo Fe(CO) 5(g) Fe (s) + 5CO (g) (1) 6000CO (g) C 3000(s) CO 2(g) (2) 2CO (g) C (s) + CO 2(g) (3) No processo a ser analisado, uma alimentação fresca de CO saturado com Fe(CO) 5 gasoso contém 19,2% em massa deste último componente. A alimentação é misturada com uma corrente de reciclo de CO puro e alimenta o reator, onde todo o ferro penta-carbonila se decompõe. Baseado em dados de laboratório, 20% do CO alimentado no reator é convertido e a seletividade do NTC para produção de carbono amorfo é (9,00 kmol NTC/kmol C). O efluente do reator passa através de um complexo processo de separação que produz três correntes de produto: uma consiste em NTC sólido, C e Fe; uma segunda é CO 2 e a terceira é o CO reciclado. Você deseja determinar a vazão de alimentação fresca (m3/h, nas condições-padrão), o CO 2 total gerado no processo (kg/h) e a razão (kmol CO reciclado/kmol CO na alimentação fresca). a) Tome uma base de 100 kmol de alimentação fresca. Desenhe e rotule completamente um fluxograma e faça análises de graus de liberdade para o processo global, o ponto de mistura alimentação fresca/reciclo, o reator e o processo de separação. Baseie a análise em sistemas reativos em balanços atômicos.

4 b) Escreva e resolva os balanços e escalone o processo para calcular a vazão de alimentação fresca (m 3 /h, nas condições-padrão) necessária para produzir 1000 kg NTC/h e a vazão mássica de CO 2 que será produzida. c) Na sua análise de graus de liberdade do reator, você pode ter contado balanços separados para C (carbono atômico) e O (oxigênio atômico). Na verdade, estes dois balanços não são independentes, então um, mas não ambos, deve ser contado. Revise a sua análise se necessário e então calcule a razão (kmol CO reciclado/kmol CO na alimentação fresca). d) Prove que os balanços de carbono e oxigênio atômicos no reator não são equações independentes. 8. O dióxido de titânio (TiO 2 ) é amplamente usado como um pigmento branco. É produzido a partir de um minério que contém ilmenita (FeTiO 3 ) e óxido férrico (Fe 2 O 3 ). O minério é digerido com uma solução aquosa de ácido sulfúrico para produzir uma solução aquosa de sulfato de titanila [(TiO)SO 4 ] e sulfato ferroso (FeSO 4 ). É adicionada água para hidrolisar o sulfato de titanila a H 2 TiO 3, que precipita, e H 2 SO 4. O precipitado é calcinado, eliminando água e deixando um resíduo de dióxido de titânio puro. (Vários passos usados para remover o ferro das soluções intermediárias como sulfato ferroso foram omitidos nesta descrição.) Suponha que um minério contendo 24,3% em massa de Ti é digerido com uma solução 80% de H 2 SO 4, fornecida com 50% de excesso em relação à quantidade necessária para converter toda a ilmenita em sulfato de titanila e todo o óxido férrico em sulfato férrico [Fe 2 (SO 4 ) 3 ]. Suponha também que 89% da ilmenita realmente se decompõem. Calcule as massas (kg) de minério e de solução 80% de ácido sulfúrico que devem ser fornecidas para produzir 1000 kg de TiO 2 puro. 9. Um carvão contendo 5,0% em massa de S é queimado com uma vazão de 1250 lb m /min na fornalha de uma caldeira. Todo o enxofre no carvão é oxidado a SO 2. O produto gasoso é enviado a um lavador, no qual a maior parte do SO 2 é removida, e o gás lavado é liberado através de uma chaminé. Um regulamento da Agência de Proteção Ambiental requer que o gás de chaminé não contenha mais do que 0,018 lb m SO 2/lb m de carvão queimado. Para confirmar se o processo cumpre a legislação, um medidor de vazão e um analisador de SO 2 são montados na chaminé. A vazão volumétrica do gás lavado é medida como sendo 2867 ft 3 /s, e a leitura do analisador de SO 2 é 37. Os dados de calibração para este analisador estão na tabela a seguir. Dados de calibração do analisador SO2 C[g SO 2 /m 3 de gás] Leitura [escala 0 100] 0, , , , , ,0 90 a) Determine a equação que relaciona a concentração de SO 2 em lb m /ft 3 à leitura do analisador. b) A legislação está sendo cumprida? c) Que percentagem do SO 2 produzido na fornalha é removida no lavador? d) Um regulamento mais antigo fixava um limite na fração molar de SO 2 no gás que saía da chaminé (em vez da quantidade de SO 2 emitida por massa de carvão queimado), mas as empresas acharam uma forma de liberar grandes quantidades de SO 2 sem violar este regulamento. Pense qual poderia ter sido a forma de contornar o regulamento antigo. (Dica: O método envolve alimentar uma segunda corrente na base da chaminé.) Explique por que este método não funcionou com a nova legislação. 10. A reação em fase gasosa entre metanol e ácido acético para formar acetato de metila e água CH 3 OH + CH 3 COOH CH 3 COOCH 3 + H 2 O (A) (B) (C) (D) acontece em um reator em batelada e prossegue até o equilíbrio. Quando a mistura reacional atinge o equilíbrio, as frações molares das quatro espécies reativas satisfazem a relação K y = y Cy D y A y B = 4,87

5 a) Suponha que a alimentação do reator consiste em n A0, n B0, n C0, n D0, n I0 mols de A, B, C e D e de um gás inerte I, respectivamente. Seja ξ(mols) a extensão da reação. Escreva expressões para o número de mols de cada espécie reativa no produto final, n A (ξ), n B (ξ), n C (ξ) e n D (ξ). Use então estas expressões e a relação de equilíbrio fornecida para deduzir uma equação para ξ e, a extensão da reação no equilíbrio, em termos de n A0, n B0, n C0, n D0 e n I0. b) Se a alimentação do reator contém quantidades equimolares de metanol e ácido acético e nenhuma outra espécie, calcule a conversão fracional no equilíbrio. c) Deseja-se produzir 70 mols de acetato de metila começando com 80 mols de ácido acético. Se a reação prossegue até o equilíbrio, quanto metanol deve ser alimentado? Qual é a composição do produto final? d) Suponha que seja importante reduzir a concentração de metanol fazendo sua conversão no equilíbrio o mais alta possível, digamos 99%. Novamente assumindo que a alimentação do reator contém apenas metanol e ácido acético e que deseja-se produzir 70 mols de acetato de metila, determine a extensão da reação e as quantidades de metanol e ácido acético que devem ser alimentadas no reator. e) e você quiser conduzir o processo da Parte (b) ou (c) comercialmente, o que você precisaria saber além da composição de equilíbrio para determinar se o processo seria rentável? 11. A pressões baixas ou moderadas, o estado de equilíbrio da reação de deslocamento água-gás é aproximadamente descrito pela relação CO + H 2 O CO 2 + H 2 y CO2 y H2 = K y CO y e (T) = 0,0247 exp[4020/t(k)] H2 O em que T é a temperatura da reação, K e é a constante de equilíbrio da reação e y i é a fração molar da espécie i no conteúdo de equilíbrio do reator. A alimentação de um reator em batelada contém 20,0% molar CO, 10,0% CO 2, 40,0% de água e o resto é um gás inerte. O reator é mantido a T = 1123 K. a) Admita uma base de 1 mol de alimentação e desenhe e rotule um fluxograma. Faça uma análise dos graus de liberdade do reator baseada na extensão da reação e use-a para provar que você tem informação suficiente para calcular a composição da mistura reacional no equilíbrio. Não faça nenhum cálculo. b) Calcule os mols totais de gás dentro do reator no equilíbrio (se você demorar mais do que 5 segundos deve estar errado) e a fração molar de equilíbrio do hidrogênio no produto. (Sugestão: Comece escrevendo expressões para os mols de cada espécie no produto gasoso em termos da extensão da reação e depois escreva expressões para as frações molares das espécies.) c) Suponha que uma amostra de gás é retirada do reator e analisada logo após a partida e que a fração molar de hidrogênio é significativamente diferente do valor calculado. Admitindo que não há erros de cálculo ou de medição, qual é a explicação mais provável para a discrepância entre os rendimentos calculado e medido de hidrogênio? d) Faça uma planilha que use como entrada a temperatura do reator e as frações molares dos componentes na alimentação, x CO, x H2 O e x CO2 (admita que não há hidrogênio na alimentação) e calcule a fração molar y H2 no produto gasoso no equilíbrio. Os cabeçalhos das colunas da planilha devem ser T x CO x H2 O x CO2 K e y H2 As colunas entre K e e y H2 podem conter quantidades intermediárias para o cálculo de y H2. Teste primeiro o seu programa para as condições da Parte (a) e verifique se ele está correto. Tente então uma série de valores das variáveis de entrada e tire conclusões acerca das condições (temperatura do reator e composição da alimentação) que maximizem o rendimento de equilíbrio do H 2.

6 12. O metanol é formado a partir de monóxido de carbono e hidrogênio na reação em fase gasosa CO + 2H 2 CH 3 OH (A) (B) (C) As frações molares das espécies reativas no equilíbrio satisfazem a relação y C 1 2 y A y B P 2 = K e(t) em que P é a pressão total (atm), K e é a constante de equilíbrio da reação (atm 2 ) e T é temperatura (K). A constante de equilíbrio K e é igual a 10,5 a 373 K, e 2, a 573 K. Um gráfico semilog de K e (escala logarítmica) versus 1/T (escala retangular) é aproximadamente linear entre T = 300 K e T = 600 K. a) Deduza uma fórmula para K e (T) e use-a para mostrar que K e (450 K) = 0,0548 atm 2. b) Escreva expressões para n A, n B e n C (mols de cada espécie) e para y A, y B e y C, em termos de n A0, n B0, n C0 e ξ, a extensão molar da reação. Depois deduza uma equação envolvendo apenas n A0, n B0, n C0, P, T e ξ e, em que ξ e (mols) é o valor da extensão da reação no equilíbrio. c) Suponha que você começa com quantidades equimolares de CO e H 2 e nenhum CH 3 OH, e que a reação prossegue até o equilíbrio a 423 K e 2,00 atm. Calcule a composição molar do produto (y A, y B e y C ) e a conversão fracional de CO. d) A conversão de CO e H 2 pode ser melhorada pela remoção do metanol do reator deixando CO e H 2 não reagidos no vaso. Revise a equação que você derivou na resolução da Parte (c) e determine quaisquer restrições físicas em ξ associadas com n A0 = n B0 = 1 mol. Agora suponha que 90% do metanol é removido do reator na medida em que é produzido; em outras palavras, somente 10% do metanol formado permanece no reator. Estime a conversão fracionária de CO e o total de mols de metanol produzido na operação modificada. e) Repita a Parte (d), mas agora assuma que n B0 = 2 mol. Explique o aumento significativo da conversão fracionária do CO. f) Escreva um conjunto de equações para y A, y B, y C e f A (a conversão fracional de CO) em termos de y A0, y B0, T e P (a temperatura e a pressão do reator no equilíbrio). Insira as equações em um programa de resolução de equações. Cheque o programa com as condições da Parte (c) e depois use-o para determinar os efeitos sobre f A (aumento, diminuição ou nenhum efeito) de aumentar separadamente (i) a fração de CO na alimentação, (ii) a fração de CH 3 OH na alimentação, (iii) a temperatura e (iv) a pressão. 13. O metano e o oxigênio reagem na presença de um catalisador para formar formaldeído. Em uma reação paralela, parte do metano é oxidada a dióxido de carbono e água: CH 4 + O 2 HCHO + H 2 O CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O A alimentação do reator contém quantidades equimolares de metano e oxigênio. Admita uma base de 100 mols de alimentação/s. a) Desenhe e rotule um fluxograma. Use uma análise dos graus de liberdade baseada nas extensões de reação para determinar quantas variáveis de processo devem ser especificadas para que as restantes possam ser calculadas. b) Deduza expressões para as vazões dos componentes da corrente de produto em termos das duas extensões de reação, ξ 1 e ξ 2. c) A conversão fracional de metano é 0,900, e o rendimento fracional de formaldeído é 0,855. Calcule a composição molar da corrente de saída do reator e a seletividade da produção de formaldeído em relação à produção de dióxido de carbono. d) Um colega de classe seu faz a seguinte observação: Se você adiciona as equações estequiométricas para as duas reações, você obtém a equação balanceada 2CH 4 + 3O 2 HCHO + CO 2 + 3H 2 O A saída do reator deve então conter um mol de CO 2 para cada mol de HCHO, de forma que a seletividade do formaldeído em relação ao dióxido de carbono deve ser 1,0. Fazendo da maneira que o livro disse para fazer, eu

7 obtive uma seletividade diferente. Qual a maneira certa, e por que a outra maneira é errada? Qual é a sua resposta? 14. O etano é clorado em um reator contínuo: C 2 H 6 + Cl 2 C 2 H 5 Cl + HCl Parte do produto, monocloroetano, é depois clorado em uma reação paralela não desejada: C 2 H 5 Cl + Cl 2 C 2 H 4 Cl 2 + HCl a) Suponha que seu principal objetivo é maximizar a seletividade da produção de monocloroetano em relação à produção de dicloroetano. Você projetaria o seu reator para altas ou baixas conversões de etano? Explique a sua resposta. (Dica: Se o conteúdo do reator permanece dentro do próprio reator por um tempo suficiente para que a maior parte do etano na alimentação seja consumido, qual será, provavelmente, o maior constituinte do produto?) Que passos adicionais, quase com certeza, deverão ser seguidos para tornar o processo economicamente viável? b) Tome como base 100 mol C 2 H 5 Cl produzido. Admita que a alimentação contém apenas etano e cloro e que todo o cloro é consumido; faça uma análise dos graus de liberdade baseada nos balanços de espécies atômicas. c) O reator é projetado para fornecer uma conversão de 15% de etano e uma seletividade de 14 mol C 2 H 5 Cl/mol C 2 H 4 Cl 2, com uma quantidade desprezível de cloro no produto gasoso. Calcule a razão de alimentação (mol Cl 2 /mol C 2 H 6 ) e o rendimento fracional de monocloroetano. d) Suponha que o reator é construído e posto para funcionar, e que a conversão é de 14%. Uma análise cromatográfica mostra que não há Cl 2 no produto, mas há uma outra espécie com uma massa molecular maior do que a do dicloroetano. Ofereça uma explicação razoável para estes resultados. 15. O etanol é produzido comercialmente pela hidratação do etileno: C 2 H 4 + H 2 O C 2 H 5 OH Parte do produto é convertida a dietil éter na reação paralela 2C 2 H 5 OH (C 2 H 5 ) 2 O + H 2 O A alimentação do reator contém etileno, vapor de água e um gás inerte. Uma amostra do efluente do reator é analisada, e contém 43,3% molar de etileno, 2,5% de etanol, 0,14% de éter, 9,3% de inertes e o resto de água. a) Tomando como base 100 mols do efluente gasoso, desenhe e rotule um fluxograma e faça uma análise dos graus de liberdade baseada nos balanços de espécies atômicas para provar que o sistema tem zero graus de liberdade. b) Calcule a composição molar da alimentação do reator, a percentagem de conversão de etileno, o rendimento fracional de etanol e a seletividade da produção de etanol em relação à produção de éter. c) A percentagem de conversão de etileno calculada deve ser muito baixa. Por que você acha que o reator foi projetado para consumir tão pouco reagente? (Dica: Se a mistura reacional permanecesse no reator tempo suficiente para consumir a maior parte do etileno, qual seria, provavelmente, o principal constituinte do produto?) Que passos de processamento adicionais devem acontecer a jusante do reator? 16. Um reator catalítico é usado para produzir formaldeído a partir de metanol através da reação CH 3 OH HCHO + H 2 Uma conversão por passe no reator de 60,0% é atingida. O metanol no produto do reator é separado do formaldeído e do hidrogênio em um processo de múltiplas unidades. A taxa de produção de formaldeído é de 900,0 kg/h. a) Calcule a vazão de alimentação de metanol necessária (kmol/h) se não houver reciclo. b) Suponha que o metanol recuperado é reciclado para o reator e que a conversão no mesmo permanece em 60%. Sem fazer nenhum cálculo, prove que você tem informação suficiente para determinar a vazão de alimentação fresca de metanol necessária (kmol/h) e as vazões (kmol/h) nas quais o metanol entra e sai do reator. Faça depois os cálculos.

8 c) A conversão por passe no reator, X r, afeta os custos do reator (C r ) e do processo de separação e a tubulação de reciclo (C s ). Qual é o efeito de um aumento na conversão X r que você esperaria em cada um destes custos para uma taxa de produção fixa de formaldeído? (Sugestão: Para atingir uma conversão de 100% no reator você precisaria de um reator infinitamente grande, enquanto a diminuição da conversão no reator leva à necessidade de processar maiores quantidades de fluido nas unidades de processo e na linha de reciclo.) Que forma você esperaria para o gráfico de (C r + C s ) versus X r? O que significa, provavelmente, a especificação de projeto Xr = 60%? 17. O metanol é produzido pela reação do monóxido de carbono com o hidrogênio. Uma corrente de alimentação fresca contendo CO e H 2 se junta a uma corrente de reciclo, e a corrente combinada alimenta um reator. A corrente de saída do reator flui com uma vazão de 350 mol/min e contém 10,6% em massa de H 2, 64,0% CO e 25,4% CH 3 OH. (Note que estas percentagens são em massa e não molares.) Esta corrente entra em um resfriador, onde a maior parte do metanol é condensada. O metanol líquido condensado é retirado como produto, e a corrente gasosa que sai do condensador que contém CO, H 2 e 0,40% molar CH 3 OH não condensado é a corrente de reciclo que é combinada com a alimentação fresca. a) Sem fazer nenhum cálculo, prove que você tem informação suficiente para determinar (i) as vazões molares de CO e H 2 na alimentação fresca, (ii) a taxa de produção de metanol líquido e (iii) a conversões por passe e global de monóxido de carbono. Depois, faça os cálculos. b) Depois de vários meses de operação, a vazão de metanol líquido que sai do condensador começa a diminuir. Liste pelo menos três possíveis explicações para este comportamento e diga como você checaria a validade de cada uma. (O que você mediria e o que você esperaria obter para saber se a explicação é válida.) 18. O metano reage com cloro para produzir cloreto de metila e cloreto de hidrogênio. Uma vez formado, o cloreto de metila pode ser clorado novamente para formar cloreto de metileno (CH 2 Cl 2 ), clorofórmio e tetracloreto de carbono. Um processo de produção de cloreto de metila consiste em um reator, um condensador, uma coluna de destilação e uma coluna de absorção. Uma corrente gasosa contendo 80,0% molar de metano e o resto de cloro alimenta o reator. Uma conversão de 100% no reator pode ser admitida. A proporção molar de cloreto de metila para cloreto de metileno no produto é de 5:1, e são produzidas quantidades desprezíveis de clorofórmio e tetracloreto de carbono. A corrente de produto passa ao condensador. Duas correntes saem do condensador: o condensado líquido, que contém essencialmente todo o cloreto de metila e o cloreto de metileno no efluente do reator, e um gás contendo o metano e o cloreto de hidrogênio. O condensado vai para a coluna de destilação, na qual os dois componentes são separados. O gás que deixa o condensador vai para uma coluna de absorção, onde é posto em contato com uma solução aquosa. A solução absorve praticamente todo o HCl e nada do CH 4. O líquido que sai do absorvedor é bombeado para outro lugar da planta para processamento posterior, e o metano é reciclado para se juntar com a alimentação fresca do processo (uma mistura de metano e cloro). A corrente combinada é a alimentação do reator. a) Escolha uma quantidade da alimentação do reator como base de cálculo, desenhe e rotule o diagrama de fluxo, e determine o número de graus de liberdade para o processo global e para cada unidade e ponto de mistura de correntes. Em seguida, escreva em ordem as equações que você usaria para calcular a vazão molar e a composição molar da alimentação fresca, a vazão na qual o HCl deve ser removido no absorvedor, a taxa de produção de cloreto de metila e a vazão molar da corrente de reciclo. Não faça nenhum cálculo. b) Calcule as quantidades especificadas na Parte (a), seja de forma manual ou com um programa de resolução de equações. c) Que vazões e composições molares da alimentação fresca e da corrente de reciclo são necessárias para atingir uma taxa de produção de 1000 kg/h de cloreto de metila? 19. O óxido de etileno é produzido pela oxidação catalítica do etileno: 2C 2 H 4 + O 2 2C 2 H 4 O Uma reação não desejada, que compete com a primeira, é a combustão do etileno: C 2 H 4 + 3O 2 2CO 2 + 2H 2 O A alimentação do reator não a alimentação fresca do processo) contém 3 mols de etileno por mol de oxigênio. A conversão do etileno no reator é 20%, e para cada 100 mols de etileno consumidos no reator 90 mols de óxido de etileno saem nos produtos. Um processo de múltiplas unidades é usado para separar estes produtos: o etileno e o

9 oxigênio são reciclados para o reator, o óxido de etileno é vendido como um produto e o dióxido de carbono e a água são descartados. a) Tome uma quantidade da corrente de alimentação do reator como base de cálculo, desenhe e rotule o fluxograma do processo, faça uma análise dos graus de liberdade e escreva as equações que você usaria para calcular (i) as vazões molares de etileno e oxigênio na alimentação fresca, (ii) a taxa de produção do óxido de etileno e (iii) a conversão de etileno no processo. Não faça nenhum cálculo. b) Calcule as quantidades especificadas na parte (a), seja manualmente, seja com um programa de solução de equações. c) Calcule as vazões molares de etileno e oxigênio na alimentação fresca necessárias para produzir uma tonelada por hora de óxido de etileno. 20. A alimentação fresca de um processo de produção de amônia contém nitrogênio e hidrogênio na proporção estequiométrica, junto com um gás inerte (I). A alimentação é combinada com uma corrente de reciclo contendo as mesmas três espécies, e a corrente combinada alimenta um reator no qual é atingida uma baixa conversão de nitrogênio. O produto passa através de um condensador. Do mesmo saem uma corrente líquida contendo essencialmente toda a amônia formada e uma corrente gasosa contendo todos os inertes e o hidrogênio e nitrogênio não convertidos. A corrente gasosa é dividida em duas frações com a mesma composição: uma é removida do processo como uma corrente de purga e a outra é a corrente de reciclo que se combina com a alimentação fresca. Em cada corrente contendo nitrogênio e hidrogênio, as duas espécies estão na proporção estequiométrica. a) Seja x I0 a fração molar de inertes na alimentação fresca, f r a conversão de nitrogênio (e de hidrogênio) no reator e y p a fração do gás que sai do condensador e que é purgada (mols purgados/mols totais). Tomando como base 1 mol de alimentação fresca, desenhe e rotule completamente um fluxograma do processo, incorporando x I0, f r e y p na rotulagem até a maior extensão possível. Então, admitindo que os valores destas três variáveis são conhecidos, escreva um conjunto de equações para os mols totais fornecidos ao reator (n r ), os mols de amônia produzidos (n p ) e a conversão global de nitrogênio (f g ). Cada equação deve envolver apenas uma única incógnita, que deve ser marcada. b) Resolva as equações da Parte (a) para x I0 = 0,01, f r = 0,20 e y p = 0,10. c) Explique sucintamente, com suas próprias palavras, os motivos para incluir no projeto do processo (i) a corrente de reciclo e (ii) a corrente de purga. d) Prepare uma planilha para fazer os cálculos da Parte (a) para os valores dados de x I0, f r e y p. Teste-a com os valores da Parte (b). Então, em linhas sucessivas da planilha, varie cada uma das variáveis de entrada duas ou três vezes, mantendo as outras duas constantes. As seis primeiras colunas e cinco primeiras linhas da planilha devem aparecer como mostrado a seguir: x IO f sp y p n r n p f ov 0,01 0,20 0,10 0,05 0,20 0,10 0,10 0,20 0,10 0,01 0,30 0,10 Faça um resumo dos efeitos das mudanças das três variáveis de entrada sobre a produção de amônia (n p ) e o conteúdo do reator (n r ). 21. Um gás contém 80,0% em massa de propano, 15,0% de n-butano e o resto de H 2 O. a) Calcule a composição molar deste gás em base seca e em base úmida, e a razão (mol H 2 O/mol ar seco).

10 b) Se 100 kg/h deste combustível são queimados com 30% de ar em excesso, qual é a vazão de ar de alimentação requerida (kmol/h)? Como mudaria a resposta se a combustão fosse apenas 75% completa? 22. Gasolina, que nós iremos representar como tendo as propriedades do iso-octano, é consumida por um motor de automóvel em marcha lenta a uma taxa de 1 gal/h. Um monitor na garagem onde um trabalho está sendo feito no motor detecta a acumulação de CO, indicando combustão incompleta da gasolina. O que esta informação implica sobre a razão gasolina-ar sendo alimentada para o motor? Se nós assumimos que a gasolina tem as propriedades do iso-octano, C 8 H 18, estime a vazão de alimentação (mol/h) de ar para 10% de excesso de oxigênio alimentado para o motor. 23. Um gás combustível produzido pela gaseificação de carvão é queimado com 20% de ar em excesso. O gás contém 50,0% molar de nitrogênio e o resto é monóxido de carbono e hidrogênio. Uma amostra deste gás é passada por um espectrofotômetro de infravermelho, que registra um sinal R que depende da fração molar de monóxido de carbono na amostra, e uma leitura de R = 38,3 é obtida. Os dados de calibração do analisador aparecem a seguir. x(mol CO/mol) 0,05 0,10 0,40 0,80 1,00 R 10,0 17,0 49,4 73,6 99,7 Uma lei de potências (x = ar b ) deve ajustar os dados de calibração. Deduza a equação que relaciona x e R (use um método gráfico) e calcule a vazão molar de ar necessária para uma vazão de alimentação de combustível de 175 kmol/h, admitindo que o CO e o H 2 são oxidados, mas o N 2 não o é. 24. Um hidrocarboneto parafínico desconhecido é definido pela fórmula química C x H 2x+2. A parafina é queimada com ar e não há CO nos produtos de combustão. a) Use uma análise de graus de liberdade para determinar quantas variáveis devem ser especificadas para determinar as vazões de todos os componentes entrando e deixando a unidade de combustão. Expresse a fração de excesso de ar como y e escreve balanços elementares em termos de x, y e a vazão molar de C x H 2x+2. b) Calcule a composição molar do gás produto de combustão em termos de x para cada um dos seguintes casos: (i) ar teórico fornecido (y = 0), 100% de conversão da parafina; (ii) 20% de excesso de ar (y = 0,2), 100% de conversão da parafina; (iii) 20% de excesso de ar (y = 0,2), 90% de conversão da parafina. c) Suponha x = 3 (isto é, a parafina é o propano). Assumindo combustão completa do hidrocarboneto, qual é a razão de CO 2 para H 2 O no produto gasoso? Use este resultado para sugerir um método para a determinação da fórmula molecular da parafina. 25. Uma mistura de propano e butano é queimada com oxigênio puro. Os produtos da combustão contêm 47,4% molar H 2 O. Depois que toda a água é removida dos produtos, o gás residual contém 69,4% molar CO 2 e o resto de O 2. a) Qual é a percentagem molar de propano no combustível? b) Parece agora que a mistura combustível pode conter não apenas propano e butano, mas também outros hidrocarbonetos. Tudo o que se sabe é que não há oxigênio no combustível. Use balanços atômicos para calcular a composição molar elementar do combustível a partir da análise dada dos produtos de combustão (quer dizer, qual é a porcentagem molar de C e qual é a de H). Prove que a sua solução é consistente com a da Parte (a). 26. Um óleo combustível é analisado, contendo 85,0% em massa de carbono, 12,0% de hidrogênio elementar (H), 1,7% de enxofre e o resto são materiais não combustíveis. O óleo é queimado com 20,0% de excesso de ar, baseado na combustão completa do carbono a CO 2, do hidrogênio a H 2 O e do enxofre a SO 2. O óleo queima completamente, mas 8% do carbono formam CO. Calcule a composição molar do gás de chaminé. 27. Um óleo combustível alimenta uma fornalha e é queimado com 25% de ar em excesso. O óleo contém 87,0% em massa de C, 10,0% H e 3,0% S. A análise do gás de saída da fornalha mostra apenas N 2, O 2, CO 2, SO 2 e H 2 O. A taxa de emissão de dióxido de enxofre é controlada fazendo-se passar o gás através de uma coluna de lavagem, onde a maior parte do SO 2 é absorvida em uma solução alcalina. Os gases que saem do lavador (todo o N 2, O 2 e CO 2, e uma parte da H 2 O e SO 2 que entram na unidade) são liberados por uma chaminé. No entanto, o lavador tem uma capacidade limitada, de maneira que uma fração do gás de exaustão da fornalha deve ser encaminhada diretamente à chaminé, sendo desviada do lavador.

11 Em algum momento durante a operação do processo, o lavador remove 90% do SO 2 contido no gás que o alimenta, e o gás combinado da chaminé contém 612,5 ppm (partes por milhão) de SO 2 em base seca; quer dizer, cada milhão de mols de gás de chaminé seco contém 612,5 mol SO 2. Calcule a fração de gás de exaustão que é desviada do lavador neste momento. 28. Os óleos combustíveis contêm principalmente compostos orgânicos e enxofre. A composição molar da fração orgânica de um óleo combustível pode ser representada pela fórmula C p H q O r ; a fração mássica de enxofre no óleo é x S (kg S/kg óleo); e a porcentagem em excesso de ar, P ex, é definida em termos do ar teórico necessário para queimar apenas o carbono e o hidrogênio no combustível. a) Para um certo óleo combustível número 6, com alto teor de enxofre, p = 0,71, q = 1,1, r = 0,003 e x S = 0,02, calcule a composição do gás de chaminé em base seca se o combustível é queimado com 18% de ar em excesso, admitindo a combustão completa do combustível para formar CO 2, SO 2 e H 2 O e expressando a fração de SO2 como ppm (mol SO 2 /10 6 mol gás seco). b) Crie uma planilha para calcular as frações molares dos componentes do gás de chaminé em base seca a partir dos valores especificados de p, q, r, x S e P ex. A saída deve ser como segue: Corrida p 0,71 0,71... q 1,1 1,1... r 0,003 0, x S 0,02 0,02... P xs 18% 36%... y(co 2 ) 13,4% y(o 2 ) y(n 2 ) ppm SO (As linhas abaixo da última mostrada podem ser usadas para calcular quantidades intermediárias.) Execute corridas suficientes (incluindo as duas mostradas acima) para determinar o efeito de cada uma das cinco variáveis de entrada sobre a composição do gás de chaminé. Então, para os valores de p, q, r e x S dados na parte (a), encontre a porcentagem mínima de ar em excesso necessária para manter a composição de SO 2 em base seca abaixo de 700 ppm. (Faça com que esta seja a última corrida na tabela de saída.) Você deve encontrar que, para uma dada composição de óleo combustível, o aumento da porcentagem de ar em excesso diminui a concentração de SO 2 no gás de chaminé. Explique por quê. c) Alguém propõe usar a relação entre P ex e ppm de SO 2 como a base de uma estratégia de controle da poluição. A ideia é determinar a concentração mínima aceitável de SO 2 no gás de chaminé e depois operar o processo com um excesso de ar suficientemente alto para atingir este valor. Dê várias razões pelas quais esta não é uma boa ideia.