PQI 3211 LISTA DE EXERCÍCIOS BALANÇOS MATERIAIS COM REAÇÕES QUÍMICAS Para problemas com múltiplas unidades de processamento, realize a análise do número de graus de liberdade para cada unidade, para o processo como um todo e para os balanços globais. Atualizar a análise a cada unidade/conjunto de balanços resolvidos. 1. (Exercício 3.10, G.V. Reklaitis, 1ª. Ed.) Superfosfato é um fertilizante produzido reagindo-se fosfato de cálcio com ácido sulfúrico conforme a reação: Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 CaH4(PO4)2 + 2CaSO4 Se 20000 kg/dia de fosfato de cálcio contendo 14% em massa de impurezas inertes são regidos com 15000 kg/dia de ácido sulfúrico 92% em massa, determinar a taxa de produção de superfosfato admitindo que a conversão do reagente limitante seja igual a 95%. (Resposta: 52,71 kmol/dia) 2. (Exercício 3.8, G.V. Reklaitis, 1ª. Ed.) Hipoclorito de sódio é obtido pela reação: 2NaOH + Cl2 NaOCl + NaCl + H2O em um reator contínuo, borbulhando-se Cl2 através de uma solução aquosa concentrada de NaOH 40% em massa. Suponha que a solução aquosa de NaOH seja alimentada a 1000 kg/h e a corrente de gás cloro, a 10 kgmol/h. a) Calcular o número de graus de liberdade admitindo que a conversão seja especificada. b) Determinar o reagente limitante. c) Calcular a composição de saída do reator admitindo conversão de 100% do reagente limitante. (Resposta: frações molares de Cl2, NaOCl e NaCl iguais a 0,0938; fração molar de água, 0,7188) d) Calcular a composição de saída do reator admitindo conversão de 60% do reagente limitante. (Resposta: frações molares de NaOH, Cl2, NaOCl, NaCl e H2O iguais a 0,075, 0,1313, 0,0563, 0,0563 e 0,6813, respectivamente) 3. (Exercício 3.11, G.V. Reklaitis, 1ª. Ed.) No processo de hidratação catalítica de etileno a álcool etílico, somente uma fração do etileno é convertida. O produto é condensado e removido após cada passagem pelo conversor, sendo os gases não convertidos reciclados. Sabe-se que o condensador permite separar todo o álcool e que os gases reciclados contêm 6,5% (base molar) de vapor d água. A conversão do etileno por passagem no conversor é igual a 4,5%. A razão molar água/etileno na alimentação do conversor, após a mistura do gás de reciclo com a alimentação fresca da planta, é igual a 0,55. Calcular todas as correntes do processo. (Resposta: o condensado contém 9,31% molar de C2H5OH, sendo o restante, água)
4. (Exercício 3.12, G.V. Reklaitis, 1ª. Ed.) Ácido acético pode ser produzido pela reação: 3C2H5OH + 2Na2Cr2O7 + 8H2SO4 3CH3COOH + 2Cr2(SO4)3 + 2Na2SO4 + 11H2O No sistema apresentado na figura a seguir, obtêm-se 90% de conversão global de C2H5OH com vazão de reciclo igual à vazão de alimentação de C2H5OH fresco. Os reagentes H2SO4 e Na2Cr2O7 frescos são alimentados com excesso de 20% e 10%, respectivamente, em relação às quantidades estequiométricas requeridas pela corrente de alimentação de C2H5OH virgem. A corrente de reciclo contém apenas H2SO4 e C2H5OH e a corrente de topo do separador, apenas CH3COOH; a separação de H2SO4 e de C2H5OH é parcial e a de CH3COOH, total. Se a corrente de reciclo contém 94% de H2SO4 e o restante C2H5OH, calcular a vazão molar de ácido acético e a conversão de C2H5OH no reator. (Resposta: 900 kmol/h; 84,9%). 5. O metanol pode ser produzido pela reação de dióxido de carbono e hidrogênio, segundo: CO2 + 3H2 CH3OH + H2O A alimentação virgem do processo contém hidrogênio, dióxido de carbono e 0,4% molar de inertes (representados por I). O efluente do reator passa a um condensador, que retira essencialmente todo o metanol e a água formados e nenhum dos reagentes ou inertes. Estas substâncias são recicladas ao reator. Para evitar acúmulo de inertes no sistema, uma corrente de purga é retirada do reciclo. A alimentação combinada do reator (alimentação virgem do processo + corrente de reciclo) contém 28% de CO2, 70% de H2 e o restante inertes (% molares). A conversão no reator é de 60%. Calcular a vazão e composição molar da alimentação virgem, a alimentação total do reator, a corrente de reciclo e a corrente de purga para uma produção de metanol de 155 kgmol/h. (Resposta: alimentação virgem, 681 kmol/h, 25,6% molar de CO2, 74% molar H2 e 0,4% molar I; alimentação do reator, 1110 kmol/h; reciclo, 428 kmol/h; purga, 59,9 kmol/h)
6. (Exercício 3.16, G.V. Reklaitis, 1ª. Ed.) Hidrogênio é usado para reduzir 1 tonelada/h de Fe2O3 a ferro metálico conforme a reação: Fe2O3 + 3H2 2Fe + 3H2O A água gerada na reação é condensada e o hidrogênio não reagido é reciclado (cf. a figura a seguir). Como a corrente de alimentação de hidrogênio à unidade contém 1% de CO2 como impureza, uma parte do hidrogênio não reagido deve ser purgada. A razão entre as correntes de reciclo e alimentação fresca é igual a 5:1 em base molar. Calcular a vazão e a composição da corrente de purga de modo a limitar a concentração de CO2 na alimentação do reator em 3,5%. (Resposta: 6,25 kmol/h; fração molar de CO2, 0,04) 7. Óxido de etileno, usado na produção de etilenoglicol, é produzido a partir da oxidação parcial de etileno com de ar empregando-se um catalisador à base de prata. A reação principal é: 2C2H4 + O2 2C2H4O Por outro lado, parte do etileno também sofre oxidação total a CO2 e H2O, a partir da reação paralela: C2H4 + 3O2 2CO2 + 2H2O A alimentação a um reator consiste de 10% de etileno e o restante de ar, em base molar, obtendose 25% de conversão de etileno e rendimento de 80% em óxido de etileno. Calcular a composição molar da corrente de saída do reator. (Resposta: O2, 16,6%; H2O, 1%; CO2, 1%; N2, 71,8%; C2H4, 7,6%; C2H4O, 2%)
8. (Exercício 3.20, G.V. Reklaitis, 1ª. Ed.) Um composto C é produzido a partir dos reagentes A e B a partir das seguintes reações: 2A + B 2D + E (1) A + D 2C + E (2) C + 2B 2F (3) A alimentação ao reator consiste de uma mistura contendo 2 mols de A para cada mol de B. Obtém-se no reator conversão de 80% de A e uma corrente contendo 4 mols de A para cada mol de B, além de 6 mols de produtos combinados C, D, E e F por mol de reagentes residuais A e B (cf. figura a seguir). Para uma alimentação de 200 mol/h de A: a) Calcular as taxas de cada uma das reações e a vazão molar total da corrente de produto. (Resposta: r1 = 43,3 mol/h; r2 = 73,3 mol/h; r3 = 23,3 mol/h; 176.65 mol/h) b) Calcular o rendimento de produção de C em relação ao reagente A. (Resposta: 77,1%)
9. Ácido sulfúrico é produzido a partir da oxidação do enxofre a SO 3 seguida da reação deste com água. Na versão simplificada do fluxograma de processo ilustrada na figura a seguir, ar e enxofre são alimentados a um queimador em que o enxofre é inicialmente oxidado a SO 2 pela reação: S + O 2 SO 2 (1) Neste reator, todo enxofre é convertido a SO 2. Para tanto, a corrente de ar (21% O 2 e 79% N 2 em base molar) contém 80% de excesso de oxigênio em relação à quantidade estequiométrica necessária para converter o enxofre a SO 2. A corrente gasosa que deixa o queimador segue para um reator catalítico, no qual todo o SO 2 é oxidado a SO 3 utilizando um catalisador à base de V 2O 5. Na sequência, a corrente gasosa contendo SO 3 entra em contato com uma solução concentrada de H 2SO 4 concentrado em uma torre (torre de oleum), de modo que o SO 3 reage com a água presente nessa corrente por meio da reação: SO 3 + H 2O H 2SO 4 (2) Nessa torre, parte do SO 3 é dissolvida no ácido gerando um produto (oleum) que consiste em 37,5% de SO 3 e o restante H 2SO 4 (base mássica). A corrente gasosa que deixa a torre de oleum, contendo 12% (base molar) de SO 3, é direcionada a uma segunda torre, na qual entra em contato com uma solução mais diluída de ácido (80% H 2SO 4 e o restante, água, em base mássica). Nesta unidade, todo o SO 3 remanescente é convertido a H 2SO 4, segundo a reação (2). A corrente de H 2SO 4 diluída que alimenta a torre de ácido é gerada reciclando-se parte da corrente concentrada que sai do fundo dessa torre, misturando-a com água em um equipamento apropriado. Admitir que a planta tenha sido projetada para produzir 20000 lb/dia de solução concentrada contendo 90% em base mássica de ácido sulfúrico. a) Com base na análise completa do número de graus de liberdade e sem escrever qualquer equação, estabeleça uma sequência adequada de cálculo da planta, com base na atualização passo a passo da análise dos graus de liberdade (não se esqueça de atualizar na contagem os balanços e/ou as relações de processo que se tornem redundantes à medida que se resolvam as unidades). b) Calcular as vazões mássicas (lb/dia) e as composições de todos os componentes em todas as correntes de processo. Apresentar o resultado na forma de uma tabela de dados para a planta.