Purga

Química TecnológicaProfessor Claudio Roberto Duarte

Fundamentos de Balanço de MassaBalanços em Processos com Reação – Reciclo e Purga–Para os alunos resolverem em sala:

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A alimentação virgem de um processo de produção de amônia contém nitrogênio e hidrogênio na proporçãoestequiométrica, junto com um gás inerte (I). A alimentação é combinada com uma corrente de reciclo contendo asmesmas três espécies, e a corrente combinada alimentada um reator no qual é atingida uma baixa conversão denitrogênio. O produto passa através de um condensador. Do mesmo saem uma corrente líquida contendoessencialmente toda a amônia formada e uma corrente gasosa contendo todos os inertes e o hidrogênio enitrogênio não convertidos. A corrente gasosa é dividida em uma corrente de purga que é removida do processocomo uma corrente de purga e a outra é a corrente de reciclo que se combina com a alimentação virgem. Em cadacorrente contendo nitrogênio e hidrogênio, as duas espécies estão na proporção estequiométrica.a) Seja xI0 a fração molar de inertes na alimentação virgem, fsp a conversão de nitrogênio (e de hidrogênio) no

reator e yp a fração do gás que sai do condensador e que é purgada (moles purgados/moles totais). Tomandocomo base 1 mol de alimentação virgem, desenhe e rotule completamente um fluxograma do processo,incorporando xI0, fsp e yp na rotulagem até a maior extensão possível.

b) Resolva as equações da parte (a) para xI0=0,01, fsp =0,20 e yp =0,10c) Explique sucintamente, com suas próprias palavras, os motivos para incluir no projeto do processo a corrente

de reciclo e a corrente de purga.

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2 2 3N 3 2H NH

Vamos resolver de uma outra maneira - adotaremos aquia forma mais geral possível na resolução de um balançode massa – o que é exatamente o contrário do que seráfeito posteriormente.

Reator Condensadorn0(mol)=1mol

X0N(mol N2/mol)x0H(mol H2/mol)x0I mol I/mol

n1 (mol N2)n2(mol H2)n3 mol I

n4 (mol N2)n5(mol H2)n6 (mol I)n7 (mol NH3)

n8 (mol NH3)

nC(mol)xCN(mol N2/mol)xCH(mol H2/mol)xCI)mol I/mol

nP(mol)xCN(mol N2/mol)xCH(mol H2/mol)xCI)mol I/mol

nR(mol)xCN(mol N2/mol)xCH(mol H2/mol)xCI)mol I/mol

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2 2 3N 3 2H NHAnálise dos Graus de LiberdadeBalanço em base de espéciesatômicas para o Global e ReatorSistema Global 8 Incógnitas (x0N, x0H, x0I,xCN,

xCH, xCI, np e np )-3 Eq. Balanço (N, H e I) -2 Relações (Σx0=1 e ΣxC=1)-2 Relações (x0H=3x0N e xCH=3xCN)................................GL=1

No Reator7 Incógnitas (n1,n2,n3,n4,

n5,n6,n7,)-3 Eq. Balanço (N, H e I) -2 Relações (n2=3n1 e n5=3n4)-1 Relação (n7=2x(fspn1))...............................GL=1

Análise dos Graus de LiberdadeBalanço em base de espéciesmolecular paraCondensador10 Incógnitas (n4,n5,n6,n7,n8,xCN

xCH, xCI, nc e np )-3 Eq. Balanço (N2, H2 e I) -1 Relações ( ΣxC=1)-2 Relações (n5=3n4 e xCH=3xCN)................................GL=4

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2 2 3N 3 2H NHAnálise dos Graus de LiberdadeBalanço em base de espéciesmolecular paraPonto de Mistura10 Incógnitas (x0N, x0N,x0H,xCN

xCH,xCI, np,n1,n2,n3 )-3 Eq. Balanço (N2, H2 e I) -2 Relações ( ΣxC=1 e Σx0=1)-3 Relações (n5=3n4, xCH=3xCN e

x0H=3x0N )................................GL=2

Ponto de Divisão6 Incógnitas (xCN, xCH,xCI,

np,nC,nR)-2 Eq. Balanço (N2, H2 e I) -1 Relações ( ΣxC=1)-2 Relações (np=ypnC, xCH=3xCN) ................................GL=1

2 das equações linearmente serãodependentes. Portanto, teremosapenas 2 e não 3.

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2 2 3N 3 2H NH

Ao substituir as relações derelacionadas em cada correntee reescrever o fluxograma.Será possível obter uma novarotulagem, agora em função deum número menor de variáveis.Porém, o número de graus deliberdade não será alterado.Lembre-se que irá diminuir onúmero de variáveis na mesmaproporção em que serádiminuído número de relações.Ao fazer isto teremos o novoFluxograma listado ao lado.Cuidado os índices subscritosde cada corrente não sãocorrespondentes nos 2fluxogramas. Portanto, analisecom base no elemento.

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2 2 3N 3 2H NH

0 0 0

0 0

0 0 0

0

0

0 0 0

1 Relação:

1

2 Relação:

3

1 3

1

4

33 1

4

I N H

H N

I N N

I

N

H N I

X X X

X X

X X X

XX

X X X

7 1

1 Relação:

2 spn f n4 1

5 4 1

2 Relações:

1

3 3 1

sp

sp

n f n

n n f n

1 Relação:

e ainda da mesma relação

1

P P C

R P C

n y n

n y n