Exercícios Resolvidos de Engenharia Química - Estequiometria e Balanço de Massa

Questoes 1 A Figura 1 é um fluxograma simplificado de um processo para preparação de soda NaOH em escamas que é usada em lares para desentupir ralos A alimentação nova para o processo m1 é 15000 kgh de uma solução aquosa de 40 de NaOH A alimentação nova é combinada com o filtrado reciclado m2 do cristalizador e alimentada para o evaporador onde a água é removida m4 para produzir uma solução a 50 de NaOH que por sua vez alimenta o cristalizador O cristalizador produz uma torta de filtração que contém 95 de cristais de NaOH e 5 de uma solução que consiste em 45 de NaOH Determine a vazão mássica de escoamento da água removida m4 pelo evaporador e a taxa de reciclo m2 desse processo 25 pontos 2 Na busca de combustíveis que poluam menos e ainda de fonte renovável o gás natural CH4 que pode ser gerado a partir da biodigestão de material orgânico tem ganhado destaque A combustão completa do gás natural produz dióxido de carbono CO2 e água H2O Pedese a Escreva a reação que representa a combustão queima do gás natural e a equilibre b Se forem queimados completamente 64 kg de gás natural qual volume de oxigênio L necessário para reagir considerando CNTP quantos gramas de CO2 e de vapor de água serão produzidos 20 pontos 3 A reação entre etileno C2H4 e brometo de hidrogênio HBr para formar o brometo de etila C2H5Br é conduzida em um reator contínuo A corrente do produto é analisada contendo 52 molar de C2H5Br e 17 HBr A alimentação do reator contém apenas etileno e brometo de hidrogênio Calcule a conversão fracional X do reagente limitante e a porcentagem pela qual o outro reagente está em excesso Se a vazão molar da corrente de alimentação é 200 mols qual é a extensão da reação 20 pontos 4 Cloroetano C2H5Cl um composto químico utilizado na fabricação de corantes medicamentos e também como agente de refrigeração é produzido a partir do etano C2H6 e cloro Cl2 como indica a reação C2H6g Cl2g C2H5Clg HClg Parte do produto o cloroetano é clorado em uma reação paralela indesejada C2H5Clg Cl2g C2H4Cl2g HClg No reator que opera continuamente as extensões das reações desejada e indesejada são 105 molh e 5 molh respectivamente A alimentação do reator é composta apenas por etano e cloro Para uma produção de 100 molh do produto desejado foram alimentados no reator 5175 molh de etano e 115 molh de cloro Determine a O RE e o excesso porcentual b A conversão percentual X do etano c A conversão percentual X do cloro d O rendimento fracional Y de cloroetano e A Seletividade S do C2H5Cl em relação ao C2H4Cl2 f A composição molar do efluente do reator saída do reator 35 pontos RESPOSTAS 1 Dados da questão x1 40 de NaOH x4 100 h2o x2 45 massa de NaOH m5 50 em massa m6 Torta de Filtração e 95 de NaOH 5 solução de NaOH com 45 em massa e 55 água Balanço de massa global m1 m4 m6 eq 1 Balanço de massa para sólidos m1x1 m4x4 m6x6 Aqui iremos zerar o termo m4 porque ele é puramente água e o balanço está sendo feito para sólidos logo m1 x1 m6 x6 15000 kgh 04 m6095 m6 15000 kgh 04 095 m6 6315789 kgh Voltando a equação 1 temos que 15000 kgh m4 6135789 kgh m4 15000 kgh 6135789 kgh m4 868421 kgh Vazão mássica de escoamento da água removida Balanço de massa no cristalizador m5 m6 m2 eq 2 Balanço de massa para sólidos no cristalizador m5 x5 m6 x6 m2 x2 eq 3 Substituindo a equação 2 em 3 temos que m6 m2 x5 m6 x6 m2 x2 m2 x5 m2 x2 m6 x6 m6 x5 m2 x5 x2 m6 x6 x5 m2 6315789 095 05 05 045 m2 5684105 kgh Taxa de reciclo 2 a A combustão completa do composto metano CH₄ pode ser representada pela seguinte equação química balanceada CH4g 2O2g CO2g 2H2Og Como supracitado a equação em questão já está balanceada portanto a quantidade de cada átomo presente nela é a mesma nos reagentes e nos produtos b Visando determinar a quantidade de reagentes e produtos em uma reação química é necessário utilizar proporções estequiométricas Logo vamos calcular a quantidade de mols de gás natural CH₄ utilizando a sua massa molar Massa molar do CH4 metano 1201 gmol 101 gmol 4 1605 gmol Cálculo da massa de CO2 produzida Cálculo da massa de vapor de água H2O produzida 3 Para resolver essa questão usaremos os dados sobre a composição da corrente de produto e a vazão molar da corrente dos reagentes na alimentação Para tanto denominaremos A para o etileno B para o HBr e C para o C2H5Br A reação química balanceada é C2H4HBrC2H5Br Assim fica estabelecida as relações de estequiometria para a conversão de A e B em C A reação consome 1 mol de A e 1 mol de B para formar 1 mol de C A conversão fracional X do reagente limitante é dada por Variação molar de A Molaridade na alimentação Molaridade no produto Variação molar de A 48 0 48 A percentagem pela qual o outro reagente está em excesso pode ser calculada comparando as moléculas de B na alimentação e as moléculas não consumidas de B no produto Portanto Molaridade de B na alimentação 100 17 83 Moléculas de B em excesso Molaridade de B na alimentação Molaridade de B no produto 83 0 83 A extensão da reação é uma medida da quantidade de produto formado por unidade de tempo Neste caso o produto é o brometo de etila C2H5Br A composição da corrente de produto indica que 52 molar da corrente é composta por brometo de etila C2H5Br Isso significa que a cada segundo 52 da vazão molar total do produto é brometo de etila A vazão molar total da corrente de alimentação é fornecida como 200 mols Vazão molar de C no produto 52 da vazão molar total Vazão molar de C no produto 052 200 mols 104 mols Em sendo assim a extensão da reação que é a quantidade de brometo de etila formada por unidade de tempo é de 104 mols 4 A O rendimento Estequiométrico RE e Excesso Percentual Dado que as extensões das reações desejada e indesejada são 105 molh e 5 molh respectivamente o rendimento estequiométrico RE é dado por B Conversão Percentual X do Etano C Conversão Percentual X do Cloro D Rendimento Fracional Y de Cloroetano O rendimento fracional Y é a fração molar do produto desejado em relação ao etano alimentado E Seletividade Sabemos que a extensão da reação desejada é 105 molh e a extensão da reação indesejada é 5 molh Assumindo que C2H5Cl e C2H4Cl2 são os únicos produtos podemos dizer que a seletividade é dada por F Composição molar A composição molar do efluente do reator pode ser determinada a partir das quantidades molares dos produtos e dos reagentes Dado que a extensão da reação desejada é 105 molh e a extensão da reação indesejada é 5 molh a quantidade molar de C2H5Cl produzida é 105 molh e a quantidade molar de C2H4Cl2 produzida é 5 molh Portanto temos que