Balanço de massa com reação química.pdf

8/10/2019 Balanço de massa com reação química.pdf

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Balanço de Massa com Reação Química

EQE-112

Raquel Massad Cavalcante

18/10/11



5 - Balanço de Massa com Reação Química

5.1 - Revisão

5.1.1 - Reação Química

Transformação de um ou mais composto (reagentes) emoutros quimicamente diferentes (produtos).

NaOH + HCl NaCl + H2O






5.1 - Revisão

5.1.1 - Reação Química

Transformação de um ou mais composto (reagentes) emoutros quimicamente diferentes (produtos).

NaOH + HCl NaCl + H2O

Equação química representação simbólica da reaçãoquímica – equação estequiométrica

1 molécula de NaOH + 1 molécula de HCl 1 molécula de NaCl+ 1 molécula de H2O.




X Número de Avogadro(6x1023)


5.1 - Revisão





1 mol de NaOH + 1 mol de HCl 1 mol de NaCl + 1 mol de H2O.


5.1 - Revisão






Reagentes Produtos


5.1 - Revisão






Reagentes Produtos

Uma reação estequiométrica válida deve estar balanceada!


5.1 - Revisão



O balanceamento das Equações é feito pelo balanceamento doscoeficientes estequiométricos, o número de átomos à esquerdada equação deve ser igual ao número de átomos à direita daequação.


5.1 - Revisão






Exemplo:

SO2 + O2 SO3

4 átomos de oxigênio


5.1 - Revisão




Exemplo:

SO2 + O2 SO3

4 átomos de oxigênio 3 átomos de oxigênio


5.1 - Revisão




Exemplo:

SO2 + O2 SO3

Não está balanceada.

4 átomos de oxigênio 3 átomos de oxigênio


5.1 - Revisão



Exemplo:

SO2 + O2 SO3

Deve-se multiplicar as substâncias por números, coeficientesestequiométricos para que exista o mesmo número de átomosde todos os elementos do lado esquerdo e direito da equação.


5.1 - Revisão



Exemplo:

SO2 + O2 SO3


2 SO2 + O2 2 SO3


5.1 - Revisão

6 átomos de oxigênio dos dois lados!



Exemplo:

SO2 + O2 SO3


2 SO2 + O2 2 SO3

Equação Balanceada!!!


5.1 - Revisão




5.1 - Revisão

5.1.2 – Reagente em Excesso e Reagente Limitante

Nos processos industriais, os materiais reagentes, normalmente,não são colocados em relação estequiométrica, ou seja, nas

proporções exatas em que se combinam. Pelo menos um dosreagentes é utilizado em excesso, a fim de tornar possível arealização da reação ou garantir que o reagente de maior valorseja totalmente consumido e não haja desperdício.




5.1 - Revisão


Nos processos industriais, os materiais reagentes, normalmente,não são colocados em relação estequiométrica, ou seja, nas

proporções exatas em que se combinam. Pelo menos um dosreagentes é utilizado em excesso, a fim de tornar possível arealização da reação ou garantir que o reagente de maior valorseja totalmente consumido e não haja desperdício.

Exemplo:Na reação de transesterificação de óleos para produção debiodiesel, utilizam-se dois reagentes: óleo e álcool de cadeiapequena.




5.1 - Revisão


Exemplo:




5.1 - Revisão


Exemplo:

Para deslocar o equilíbrio no sentido de produção do biodiesel,adiciona-se álcool em excesso.




5.1 - Revisão


Exemplo:





5.1 - Revisão


Exemplo:


Álcool reagente em excesso Óleo reagente limitante




5.1 - Revisão


Reagente Limitante – é o reagente que primeiro desapareceriase a reação fosse completa.

Reagente em Excesso – é o reagente que está presente em umaquantidade maior que a sua quantidade estequiométrica parareagir com o reagente limitante.

Se todos os reagentes estão presentes em proporçõesestequiométricas, então nenhum reagente é limitante e nenhumestá em excesso.




5.1 - Revisão


% =. é

. é é

A quantidade de matéria estequiométrica de reagente é aquantidade necessária para reagir com o reagente limitante.




5.1 - Revisão


Exemplo:

Dada a reação de oxidação do anidrido sulfuroso a anidrido

sulfúrico. Suponha que esta seja conduzida com a adição de 150mols de SO2 e 100 mols de O2. Nesta condição qual o reagentelimitante?




5.1 - Revisão


Exemplo:



Pela reação balanceada, sabe-se que:

2 SO2 + O2 2 SO3




5.1 - Revisão


Exemplo:



Pela reação balanceada, sabe-se que:

2 SO2 + O2 2 SO3

2 mols de SO2 reagem estequiometricamente com 1 mol de O2.Assim:




5.1 - Revisão


Exemplo:

2 mols de SO2 ---- 1 mol de O2




5.1 - Revisão


Exemplo:


150 mols de SO2 ---- x mols de O2




5.1 - Revisão


Exemplo:



=150 2 1 2

2 2

= 75 2




5.1 - Revisão


Exemplo:



=150 2 1 2

2 2

= 75 2

A quantidade estequiométrica de oxigênio para reagir com o SO2 é menor do que a adicionada na reação, assim o oxigênio estáem excesso e o anidrido é o reagente limitante!






5.1 - Revisão

5.1.3 – Grau de Conversão de um Reagente

É a relação entre o número de mols alimentados na reação e onúmero de mols que reagiram de uma determinada substância.




5.1 - Revisão



ã . % =°

° 100




5.1 - Revisão



ã . % =°

° 100

Em regime estacionário:

ã . % = , − ,

,

100

ni,entra – n° de mols de i que entram no reatorni,sai – n° de mols de i que saem do reator




5.1 - Revisão

5.1.4 – Conversão da Reação

É a fração molar de reagente limitante que reage, nada mais éque a conversão do reagente limitante.




5.1 - Revisão



ã çã %

=°

° 100




5.1 - Revisão



ã çã %

=°

° 100

Em regime estacionário:

ã çã % =, − ,

,

100

l d í




5.1 - Revisão

5.1.5 – Rendimento da Reação

É a razão entre o número de mols de produto desejado formadoem relação ao número de mols de reagente limitantealimentados no reator.

l d ã Q í i




5.1 - Revisão

5.1.5 – Rendimento da Reação

É a razão entre o número de mols de produto desejado formadoem relação ao número de mols de reagente limitantealimentados no reator.

. %

=

°

° 100

5 B l d M R ã Q í i




5.1 - Revisão

5.1.5 – Seletividade da Reação

É o a tendência que um determinado reagente tem de formarum produto desejado em relação aos demais produtos.Tem duas definições:





5.1 - Revisão



%

=°

° 100





5.1 - Revisão



%

=°

° 100

%

=°

° 100





5.1 - Revisão

Exemplo:

Em uma fábrica de fertilizantes, o fertilizante “superfosfato” éproduzido, tratando fosfato de cálcio com 92% de pureza pelo

ácido sulfúrico concentrado, de acordo com a seguinte reação:

Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 2 CaSO4 + CaH4(PO4)2

Em um teste realizado, foram misturados 0,5 Mg de fosfato de

cálcio com 0,26 Mg de ácido sulfúrico, obtendo-se 0,28 Mg desuperfosfato, CaH4(PO4)2. Encontre:

a) O reagente limitante b) A % de exc. do reagentec) A conversão da Reação d) A conversão de fosfato





5.1 - Revisão

Exemplo:a) O reagente limitante

Cálculo do número de mols das substâncias envolvidas:

Ca3(PO4)2 = 0,5

1000

1x 0,92

1

312,58= 1,48




= 0,51000

1x 0,92

1

312,58= 1,48


5.1 - Revisão



Ca3(PO4)2

Conversão de Mg para kg





5.1 - Revisão



Ca3(PO4)2 = 0,5

1000

1x 0,92

1

312,58= 1,48

Pureza do fosfato

5 Balanço de Massa com Reação Q ímica



= 0,51000

1x 0,92

1

312,58= 1,48


5.1 - Revisão



Ca3(PO4)2

Conversão de Massa paranúmero de mols

5 Balanço de Massa com Reação Química




5.1 - Revisão



H2SO4 á.ú = 0,261000

1x

1

98,08= 2,65





5.1 - Revisão



H2SO4 á.ú = 0,261000

1x

1

98,08= 2,65






5.1 - Revisão



H2SO4 á.ú = 0,261000

1x

1

98,08= 2,65






5.1 - Revisão



CaH4(PO4)2 = 0,281000

1x

1

234,06= 1,20






5.1 - Revisão



CaH4(PO4)2 = 0,281000

1x

1

234,06= 1,20






5.1 - Revisão



CaH4(PO4)2 = 0,281000

1x

1

234,06= 1,20





5.1 - Revisão


= 1,20 á.ú = 2,65

= 1,48

Ca3(PO

4)

2 + 2H

2SO

4





5.1 - Revisão


= 1,20 á.ú = 2,65

= 1,48

Ca3(PO

4)

2 + 2H

2SO

4

1 kmol de fosfato ---- 2 kmols de ác. Sulfúrico





5.1 - Revisão


= 1,20 á.ú = 2,65

= 1,48

Ca3(PO

4)

2 + 2H

2SO

4


1,48 kmol de fosfato ---- 2,96 kmols de ác. Sulfúrico





5.1 - Revisão


= 1,20 á.ú = 2,65

= 1,48

Ca3(PO

4)

2 + 2H

2SO

4


1,48 kmol de fosfato ---- 2,96 kmols de ác. Sulfúrico

Quantidade maior que a alimentada no reator, reagentelimitante é o ácido sulfúrico!!!





5.1 - Revisão

Exemplo:b) A % de exc. do reagente

á.ú = 2,65

= 1,48 Ca3(PO4)2 + 2H2SO4

O fosfato está em excesso




1,325 kmols de fosfato ---- 2,65 kmols de ác. Sulfúrico


5.1 - Revisão


á.ú = 2,65

= 1,48 Ca3(PO4)2 + 2H2SO4






1,325 kmols de fosfato ---- 2,65 kmols de ác. Sulfúrico


5.1 - Revisão


á.ú = 2,65

= 1,48 Ca3(PO4)2 + 2H2SO4



Quantidade estequiométrica de fosfato para reagir com o limitante





5.1 - Revisão



% =1,48 − 1,325

1,325100





5.1 - Revisão



% =1,48 − 1,325

1,325100

= 11,7%





5.1 - Revisão

Exemplo:c) A conversão da reação

. çã % =°

° 100





5.1 - Revisão


. çã % =°

° 100

1,2 kmol de superfosfato ---- 2,4 kmols de ác. Sulfúrico






5.1 - Revisão


. çã % =°

° 100







5.1 - Revisão


. çã % =°

° 100







5.1 - Revisão


. çã % =°

° 100



. çã % =2,4

2,65100 = 90,6%





5.1 - Revisão

Exemplo:c) A conversão de fosfato

. çã % =°

° 100





5.1 - Revisão


. çã % =°

° 100

1,2 kmol de superfosfato ---- 1,2 kmols fosfato





ç ç Q

5.1 - Revisão


. çã % =°

° 100

1,2 kmol de superfosfato ---- 1,2 kmols fosfato


. % =1,2

1,48100 = 81,1%




ç ç Q

5.2 – Balanços de Massa com Reação Química

5.2.1 – Processos Envolvendo uma Única ReaçãoEm termos de balanço por componente:

°

-

°

+

°

−

°

=

°




ç ç Q


5.2.1 – Processos Envolvendo uma Única ReaçãoEm termos de balanço por componente:

°

-

°

+

°

−

°

=

°

Quando há reação química o balanço por componente deve serexpresso em base molar!!!




ç ç Q


Exemplo:Considere a reação do gás nitrogênio com o gás hidrogênioformando amônia. A Figura a seguir mostra alguns dados dareação em um dado instante. Qual a geração e o consumo doscomponentes, considere estado estacionário.




ç ç Q



Reator18 H215 N2




ç ç Q



Reator18 H215 N2

9 H212 N26 NH3




ç ç


Exemplo:

° - ° + ° − ° = °




ç ç


Exemplo:

° - ° + ° − ° = °

EE





Exemplo:

° - ° + ° − ° = °

EE

Englobar em apenas um termo – diferenciando o sinal (G)





Exemplo:

° - ° +°

− ° = °

EE

Englobar em apenas um termo – diferenciando o sinal (G-gerado)

°

-

°

+

°

= 0





Exemplo:

BMPc.: N2 15 - 12 + G = 0 .: G = -3

°

-

°

+

°

= 0

18 H215 N2

9 H212 N26 NH3





Exemplo:

BMPc.: N2 15 - 12 + G = 0 .: G = -3

°

-

°

+

°

= 0

18 H215 N2

9 H212 N26 NH3

Foram consumidos 3 mols de N2 no reator





Exemplo:

BMPc.: H2 18 - 9 + G = 0 .: G = -9

°

-

°

+

°

= 0

18 H215 N2

9 H212 N26 NH3





Exemplo:

BMPc.: H2 18 - 9 + G = 0 .: G = -9

°

-

°

+

°

= 0

18 H215 N2

9 H212 N26 NH3

Foram consumidos 9 mols de H2 no reator





Exemplo:

BMPc.: NH3 0 - 6 + G = 0 .: G = 6

°

-

°

+

°

= 0

18 H215 N2

9 H212 N26 NH3





Exemplo:

BMPc.: NH3 0 - 6 + G = 0 .: G = 6

°

-

°

+

°

= 0

18 H215 N2

9 H212 N26 NH3

Foram gerados 6 mols de NH3 no reator





Exemplo:

Para estes cálculos não foi necessário o conhecimento daestequiometria da reação, mas nem sempre é assim. Sequiséssemos saber a conversão da reação por exemplo:





Exemplo:


Achar reagente limitante:

N2 + 3H2 2NH3





Exemplo:



N2 + 3H2 2NH3

1 mol de N2---- 3 mols de H2






Exemplo:



N2 + 3H2 2NH3






Exemplo:



N2 + 3H2 2NH3



limitante





Exemplo:

. çã % = ° °

100





Exemplo:

. çã % = ° °

100

. çã % =

9

18 100 = 50%





Exemplo – apostila pg 101:

Seja a desidrogenação de etano conduzida em reator contínuo,em estado estacionário. A reação é:

→ +

100 mols/min são alimentados no reator e na corrente do

produto formado a uma vazão de hidrogênio igual a 40mols/min. Com base nas informações fornecidas, determine asquantidades de etano e eteno na corrente de produto.





Exemplo – Acetonitrila

Acrilonitrila é produzida a partir de propileno, amônia eoxigênio (do ar) pela reação:

A alimentação é constituída de 10% de propileno, 12% deamônia e 78% de ar (molar).

C3H6 + NH3 + 1,5 O2 C3H3N + 3 H2O

(a) Identifique e quantifique eventuais reagentes em excesso e

limitante.

(b) Para uma base de 100 kmol/h de alimentação, sabendo quea conversão do propileno é de 30%, determine as vazões detodas as substâncias nas correntes de entrada e de saída do

reator.





Conversão em Sistemas com Reciclo

Em processos com reciclo, a conversão pode ser informada deduas formas distintas:







ConversãoGlobal







Conversão em relação ao processo como um todo, baseados naentrada e saída do processo.

ConversãoGlobal













Conversão porpasso







Conversão em relação ao reator, baseados na entrada e saída doreator.

Conversão porpasso






Reator Separador

∗

∗






Conversão Global:

Reator Separador

∗

∗

ã % = . − .

.






Conversão Global:

ã % = −

Reator Separador

∗

∗

ã % = . − .

.






Reator Separador

∗

∗






Conversão por passe ou no reator:

Reator Separador

∗

∗

ã % = . − .

.






Conversão por passe ou no reator:

ã % =

∗ − ∗

∗

Reator Separador

∗

∗

ã % = . − .

.






Reator Separador

75 75 100

25

75 mol B

Exemplo – apostila 105

25






Reator Separador

75 75 100

25

75 mol B


25

ã % = −

= −

= %






Reator Separador

75 75 100

25

75 mol B


25

ã % = −

= −

= %






Reator Separador

75 75 100

25

75 mol B


25

ã % = −

= −

= %

ã % =

∗ − ∗

∗

= −

= %






Reator Separador

75 75 100

25

75 mol B


25

ã % = −

= −

= %

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