Aula Balanço de Massa com Reação Química - Estequiometria e Regente Limitante

Prof Ricardo Peraça Toralles Instituto Federal SulRioGrandense Campus Pelotas Curso Superior de Engenharia Química Aula 07 Balanço de Massa BM com reação UNIDADE III Balanço de Massa 37 Balanço de Massa envolvendo Reações Químicas Estequiometria É a teoria das proporções nas quais as equações químicas se combinam Equação estequimétrica de uma reação é a quantidade relativa de moléculas ou moles de reagentes ou produtos que tomam parte da reação Por exemplo a equação estequiométrica Uma equação estequimétrica só será válida se estiver balanceda e devem se levados em consideração a Lei da conservação da massa de Lavoiser e a lei da composição definida em seu balanceamento Rever Videoaula 3 Para que uma equação estar balanceada o número de átomos de cada espécie deve ser o mesmo em ambos os lados da equação Razão estequiométrica de 2 espécies moleculares participantes de uma reação química é a razão entre os seus coeficientes estequimétricos na equação da reação balanceada Esta razão pode ser usada como um fator de conversão para calcular uma quantidade de reagente ou produto específico que é produzido ou consumido dada uma quantidade de reagente ou produto que participe na reação Qual a razão estequiométrica de SO3 para O2 Exemplo 1 Para equação 2SO2 O2 2SO3 qual a quantidade requerida de oxigênio para que seja produzido 1600 kgh de SO3 Razão estequiométrica Massa molecular Exemplo 2 Fazer o teste da página 103 do FELDER 2012 Regente limitante é aquele que esta presente em uma quantidade menor do que a sua proporção estequiométrica em relação a qualquer outro reagente ou seja desaparece antes de um reação se completar Os outros são chamados reagentes em excesso Exemplo 3 Para equação C2H2 2H2 C2H6 qual é o reagente limitante e o excesso fracional supondo que sejam fornecidos 200 kmolh de acetileno e 500 kmolh de hidrogênio 10 Kmoles de H2 em excesso Reagente limitante Excesso de 25 de H2 na alimentação Excesso fracional de H2 500 400500025 Exemplo 4 Para equação C2H2 2H2 C2H6 suponha que são alimentados em um reator em batelada 200 kmolh de acetileno 500 kmolh de hidrogênio e 500 kmolh de etano Após um tempo 300 kmolh de hidrogênio já reagiram quanto de cada espécie estará presente no reator neste momento As conversões 200 kmolh de C2H2 500 kmolh de H2 500 kmolh de C2H6 300 kmolh de H2 50 kmolh de C2H2 200 kmolh de H2 650 kmolh de C2H6 150 kmolh de C2H2 150 kmolh de C2H6 Para reação A B a conversão fracional de A em B é dada em no no nf nf Grau de avanço ou extensão da reação ξ É uma grandeza que mede a extensão à qual reação prossegue Essa grandeza tem as mesmas unidades de n Exemplo 5 Para exemplo anterior determine o grau de avanço da reação 200 kmolh de C2H2 500 kmolh de H2 500 kmolh de C2H6 ξ 300 kmolh de H2 nC2H2 nC2H20 ½ξ nH2 nH20 ξ nC2H6 nC2H60 ½ξ C2H2 2H2 C2H6 nH2 nH20 ξ nH20 1 X ξ nH20 X 300 kmolh 500 060 nH2 nH20 ξ 500 300 Constante de equilíbrio K Para um equilíbrio químico geral A constante de equilíbrio é Onde A é atividade da espécie química A com coeficiente α idem B Em soluções ideias a atividade é aproximadamente igual a concentração porque o coeficiente de atividade γ é perto de 1 A γ A A UNIDADE III Balanço de Massa 37 Balanço de Massa envolvendo Reações Químicas Equilíbrio Químico Termodinâmica do EQ Cinética Duas questões fundamentais da engenharia das reações químicas relacionadas com equilíbrio químico a Qual a composição final após ser atingido o EQ b Quanto tempo leva R1987 calmol1K1 T temperatura em K A e B concentrações G0 energia livre padrão Glicose 6PO4 Frutose 6PO4 Go 400 calmol1 G GoRT lnBA Keq G0 1 negativo 1 zero 1 Positivo Constante de equilíbrio na Termodinâmica A Condições fora do equilibrio A 09 molL B 009 molL R 1987 T 298 ΔGo 400 ΔG 096 kcalmol B1 009 A1 09 ΔG1 ΔGo RTln B1 A1 ΔG1 963421 B Condições padrão A 1 molL B 1 molL ΔG ΔGo 04 kcalmol B2 1 A2 1 ΔG2 ΔGo RTln B2 A2 ΔG2 400 C Condições em equilibrio A 066 molL B 033 molL ΔG 0 kcalmol B3 033 A3 066 ΔG3 ΔGo RTln B3 A3 ΔG3 1043 Ke 1 A Relacionados H S G Keq A A P k1 k1 P Relacionados H S G Ea k Constante de equilíbrio na cinética Exemplo 6 Para reação COg H2Og CO2g H2g Atinge o equilibrio na temperatua TK a fração molar yi das 4 espécies reativas satifaz a relação Constante de equilíbrio em termos de fração Lembrando que yi ni ntotal Observação ver como foi definido constante Exemplo 7 Suponha a alimentação de um reator com 100 mol de CO 200 mol de H2O e nenhum de CO2 nem H2 e que a mistura atinge o equilíbrio a 1105 K e nessa temperatura a constante de equilíbrio é 1 Calcule a composição de equilíbrio e a conversão fracional do reagente limitante Reator 100 mol de CO 200 mol de H2O nCO 100 ξ nH2 ξ nCO2 ξ nH2O 200 ξ Cálculo de ξ 300 moles Composição nCO 0333 nH2O 133 nCO2 nH2 0667 Fração yCO 0111 yH2O 0444 yCO2 yH2 0222 yCO0333300 No Mathcad Rendimento e Seletividade de uma reação Reações múltiplas Exemplo 8 As reações Desidrogenação do etano Produção metano Ocorrem em um reator contínuo no estado estacionário para produzir metano Supondo uma conversão fracional para o etano é de 0501 e o rendimento fracional para o etileno é de 0471 Calcule a composição molar do produto gasoso e a seletividade da produção do etileno em relação ao metano 1 2 3 4 5 Conversão do etano n1f n10 1X 850 10501 424 mol C2H6 Substituindo na equação 1 temos 424 moles C2H6 850 moles C2H6 1 2 6 Rendimento fracional para o etileno é de 0471 Máximo formado de etileno para conversão de 100 do etano alimentado n2 400 moles etileno como n2 moles C2H4 1 Então 1 400 moles também Substituindo na equação da conversão 6 temse 2 26 moles Substituindo nas equações de saída 1 até 5 dos componentes em termos de extensão teremos a composição molar e a seletividade solução completa no Felder 2012 3ª edição páginas 109 110 Em geral sistemas reativos podem ser analisados usando três técnicas de balanço Extensão de reação visto até agora Balanços das espécies moleculares Balanços das espécies atômicas Exemplo 9 A figura mostra um fluxograma para desidrogenação do etano em um reator contínuo no estado estacionário A reações é UNIDADE III Balanço de Massa 37 Balanço de Massa envolvendo Reações Químicas Técnicas de Solução n1kmol C2H6100 n2kmol C2H4 n3kmol H2 40 kmol Extensão de reação Técnica 1 Espécie molecular Técnica 2 Balanço de H2 geração saída GerH2 kmol H2 gerados min 40 kmol H2min Balanço de C2H6 entrada saída consumo 100 kmol C2H6 min ṅ₁kmol C2H6 min 40 kmol H2 gerados min1 kmol C2H6 consumido 1 kmol H2 gerado ṅ₁ 60 kmol C2H6min Balanço de C2H4 geração saída 40 kmol H2 gerados min1 kmol C2H4 gerado 1 kmol H2 geradokmol C2H4 min ṅ₂ 40 kmol C2H4min Consumo Geração Espécies Atômicas Técnica 3 Balanço de C entrada saída 100 kmol C2H6 min 2 kmol C 1 kmol C2H6 ṅ₁kmol C2H6 min 2 kmol C 1 kmol C2H6 ṅ₂kmol C2H4 min 2 kmol C 1 kmol C2H4 100 ṅ₁ ṅ₂ Balanço de H entrada saída 100 kmol C2H6 min 6 kmol H 1 kmol C2H6 40 kmol H2 min 2 kmol H 1 kmol H2 ṅ₁kmol C2H6 min 6 kmol H 1 kmol C2H6 ṅ₂kmol C2H4 min 4 kmol H 1 kmol C2H4 600 mol Hmin 80 mol Hmin 6ṅ₁ 4ṅ₂ Refazer todos exercícios da Aula 7 Assistir a videoaulas 7 Exercícios do Capitulo 4 do Felder todos com resposta do 41 até 442 446 447 e 456 UNIDADE III Balanço de Massa Leitura Complementar e Exercícios Propostos