Slide - Aula 4 Fundamentos de Balanço de Massa - Princípios dos Processos Químicos 2022-2

Profa. Patrícia Moreira Lima PPQ - Aula 4 BALANÇOS DE MASSA 2 2. FUNDAMENTOS DE BALANÇOS DE MASSA 3 2.8- BM EM PROCESSOS COM REAÇÃO  A diferença fundamental dos balanços nos processos com reação daqueles vistos até aqui, é o aparecimento de um novo termo nas equações de balanço do componente, relativo ao seu aparecimento ou desaparecimento em função da transformação química.  A estequiometria da reação imporá restrições ao processo, na medida em que não se pode à partir de uma reação do processo tipo A →B, partir-se de um mol de A e obter-se 2 mols de B na saída. 4  Reagentes com proporção estequiométrica: quando na alimentação do reator a relação molar é igual a relação estequiométrica. Para a reação: 2 SO2+ O2 →2 SO3 A proporção estequiométrica do SO2 e O2 é nSO2/nO2= 2/1 presentes na alimentação do reator. Por exemplo: 200 mols de SO2 são alimentados, deve-se alimentar 100 mols de O2. Alguns conceitos...  Reagente Limitante: quando os reagentes Não são alimentados na proporção estequiométrica, aquele que desaparece primeiro é chamado de limitante. Os outros são reagentes em excesso. Um reagente é limitante se estiver presente em menor quantidade do que a estabelecida pela proporção estequiométrica, em relação a todos os outros. 5  Porcentagem em excesso: suponha que n mols de um reagente em excesso esteja presente, e que ne deveria ser o número de mols correspondente a proporção estequiométrica (tal que n > ne). Então, a porcentagem de excesso, é dada por: (n - ne)/ ne ×100(%)  Considere por exemplo a reação H2+ Br2 → 2 HBr e suponha que 25 mols H2/h e 20 mols Br2/h são alimentados ao reator. O reagente limitante é claramente o bromo. Para o H2 estar em proporção estequiométrica deveria ser alimentado à razão de 20 mols H2 /h. Logo: (25-20)/20 × 100(%) = 25% H2 em excesso. 6  Conversão: um parâmetro importante na avaliação dos processos químicos com reação é o grau de conversão do reagente limitante. É importante ao final de um processo em batelada ou na corrente de saída num processo contínuo que a quantidade de reagente remanescente seja mínima possível, maximizando dessa forma a quantidade do produto de interesse e minimizando as perdas. A conversão de um reagente A é a relação: XA = (mols reagidos de A)/(mols alimentados de A) A fração não reagida é, portanto, 1-XA. Se 100 mols de um reagente A são alimentados e 90 deles reagem, a conversão de A será de 0,9 ou de 90% e a fração não convertida de A será de 10%. 7  O objetivo do processo é produzir etileno somente, a primeira dessas reações, chamadas de múltiplas, é desejada. O projeto de engenharia do reator, a escolha do catalisador e as condições de operação devem considerar não somente como maximizar a produção do produto desejado (C2H4) como minimizar a produção de sub-produtos (CH4 e C3H6). Os termos rendimento e seletividade são usados para descrever o grau em que a reação desejada predomina sobre as reações competitivas.  Rendimento e Seletividade: Considere a reação de produção de etileno através da desidrogenação do etano: C2H6 →C2H4+ H2. A medida que o H2 é produzido ele pode reagir com o etano produzindo metano através da equação: C2H6 + H2 → 2 CH4  Além disso, o próprio etileno pode reagir com o etano para formar propileno e metano: C2H4 + C2H6 → C3H6+ CH4 8 Quanto maiores os valores de rendimento e seletividade, maior será a produção do produto desejado. 9 As reações: se desenvolvem em um reator contínuo em estado estacionário. A vazão molar da alimentação é 100 mols/h e a da corrente de produto é 140 mols/h. A composição dos gases é dada abaixo: Exemplo 2.5: Calcule a conversão do etano, os rendimentos do etileno baseados na alimentação e no consumo de reagente, e a seletividade do etileno relativa ao metano. Solução: base de cálculo = vazões fornecidas. 100 mols / h 0,850 mol C2H6/ mol 0,150 mol I / mol REATOR 140 mols / h 0,303 mols C2H6/ mol 0,286 mols C2H4/ mol 0,268 mols H2/ mol 0,036 mols CH4/ mol 0,107 mols I / mol 11  Reciclo: a maioria das reações químicas não ocorrem instantaneamente, e, ao contrário, frequentemente ocorrem lentamente. Nesses casos não é prático projetar-se o reator para a conversão completa do reagente limitante, pois o tempo de reação em processos em batelada ou o tempo de residência em processos contínuos seriam muito altos. Então, o efluente do reator conterá ainda reagentes não convertidos que serão separados do produto e reciclados para a alimentação (se for economicamente compensador). 2.8.1- Reciclo em Processos com Reação 12 Em operação com reciclo, duas definições são importantes em relação à conversão dos reagentes:  Conversão no reator: considera o reator como volume de controle (VC)  Conversão global: considera o VC o processo como todo, incluindo o reator , a unidade de separação e o ponto de mistura XG > XR 13 Este exemplo ilustra o objetivo do reciclo: foi possível atingir-se completa utilização do reagente, embora somente 75% reagente que entra no reator é convertido antes de sair. A razão para que a conversão global seja de 100% está na perfeita separação assumida. Se algum A sair com a corrente de produto, a conversão global será menor que 100%, embora ela deva ser sempre maior do que a conversão no reator. 14 2.8.2- Balanços para espécies atômicas e moleculares Um fluxograma da desidrogenação do etano, num reator contínuo em estado estacionário Diferentes balanços podem ser escritos para este processo, incluindo o balanço global de massa, e para cada um dos componentes, C2H6, C2H4 e H2. Note, entretanto, que balanços materiais também podem ser escritos para o carbono atômico e o hidrogênio atômico. 15 Nas circunstâncias do processo em questão, balanços em espécies atômicas são escritos já que nenhum átomo pode ser criado ou destruído através de reações químicas. Repare bem que quando se fala em balanço de H2, isto pode significar duas coisas diferentes: um balanço para o H2 molecular ou balanço átomos de H 16 Exemplo 2.6: Produção de amônia No processo Haber-Bosch de produção de amônia, hidrogênio proveniente de gás natural e nitrogênio proveniente do ar reagem em condições elevadas de pressão e temperatura (200 atm e 450 oC) , de acordo com a seguinte equação: N2 + 3 H2 → 2 NH3 Os reagentes são alimentados no processo na razão molar 2 mols H2/1mol N2 e a conversão global em relação ao H2 (XG) é 95%. Considerando que a unidade de separação recicla 98% do reagente limitante não convertido no reator, calcule a conversão no reator e a taxa de reciclo numa planta que produz 10 toneladas de NH3 por dia. H2 N2 M REATOR UNIDADE DE SEPARAÇÃO NH3 H2 N2 18 Trabalho em aula: Metano é queimado com oxigênio formando CO2 e H2O. 150 Kg mols/h de uma corrente de alimentação composta de 20% CH4, 60% O2 e 20% CO2 são alimentados ao reator, no qual se obtém uma conversão de 90% do reagente limitante. Calcule a composição molar da corrente de produto. 19 2.9- BM EM PROCESSOS COM REAÇÃO DE COMBUSTÃO  Combustão: rápida reação de combustível com oxigênio, talvez seja a reação mais importante da indústria química. Isto porque gera alta quantidade de calor usada para produzir vapor d’ água, para aquecer fluidos e girar turbinas. Combustíveis: • Carvão: C, H, S, ... • óleo combustíveis: hidrocarbonetos pesados, S • gases combustíveis: gás natural (CH4) GLP (propano, butano) • Bagaço de cana-de-açúcar: água, fibra (celulose, hemicelulose, lignina) e açúcar. 20 ❑ Quando um combustível é queimado, Carbono (C) reage para formar CO2 ou CO, hidrogênio (H) para formar água e enxofre (S) para formar dióxido de enxofre. C + O2 →CO2 ; C + ½ O2 →CO ; H2 + ½ O2 →H2O ; S + O2 →SO2 ❑ Quando CO2 é formado a partir de um HC, a combustão é completa ou total do hidrocarboneto. Quando CO é formado a partir de um HC, a combustão é parcial ou incompleta do hidrocarboneto. C3H8+ 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O combustão completa do propano C3H8+ 7/2 O2 → 3 CO + 4 H2O combustão incompleta do propano 21 ❑ Por razões econômicas óbvias, o ar é a fonte de oxigênio. N2= 79% ; O2= 21% ; Mmédia= 29,0 • Composição em base úmida (“wet basis”) é usada para identificar as frações molares de um gás que contém H2O. • Composição em base seca (“dry basis”) significa a fração molar do mesmo gás num mistura sem H2O. Exemplo: 33,3% molar CO2; 33,3% N2; 33,3% H2O (úmida); 50% CO2; 50% N2 (seca) ❑ O produto gasoso das câmaras de combustão são chamados de fumos. 22 Exemplo: Os fumos de uma combustão contém 60% N2, 15% CO2, 10% O2 e o restante de H2O. Calcular a composição molar em base seca. Solução: 100 mols gás úmido 60 mols N2 15 mols CO2 10 mols O2 ================= 85 mols gás seco daí: 60/85 = 0,706 mols N2 /mols gás seco 15/85 = 0,175 mols CO2 /mols gás seco 10/85 = 0,118 mols O2/mols gás seco 23 Exemplo: Uma análise de Orsat (técnica comum para analisar os gases de combustão) fornece a seguinte composição em base seca: N2 = 65%; CO2 = 14%; CO = 11%; O2 = 10% . Um medidor de umidade indica que a fração molar de H2O nos gases é 0,07. Calcule a composição do gás em base úmida. Solução: base de cálculo = 100 lb-mols gás seco 24 Ar Teórico e Ar Em Excesso  Se 2 reagentes participarem de uma reação e um é consideravelmente mais caro do que o outro, uma prática usual é alimentar o mais barato em excesso com relação ao outro. No caso da combustão é o ar, para assegurar a conversão total do combustível e maximizar a combustão completa. • Oxigênio teórico: os mols ou vazão molar de O2 necessários para a combustão completa de todo o combustível do reator, assumindo que todo C vire CO2 e todo H vire H2O. • Ar teórico: a quantidade de ar que contém o oxigênio teórico. • Excesso de ar: a quantidade de ar alimentado que excede a teórica (ar teórico). 25  Sabendo que o ar, seja alimentado ou teórico, contém 21% de O2 em base molar, o excesso de ar pode também pode ser calculado a partir das quantidades de oxigênio alimentada teórica da seguinte forma.  Se 50% excesso de ar é admitido no reator, então (mols ar) alimentado = 1,5 (mols ar) teórico. 26 Exemplo 2.7: Ar excesso 100 mols/h de C4H10 (butano) e 5000 mols/h de ar são alimentados a um reator de combustão. Calcule a percentagem de ar em excesso. 27 Procedimento para realização de B.M. em Reatores de Combustão 1) Quando desenhar o fluxograma, lembre-se de incluir o N2 na entrada e na saída, uma vez que essa espécie não participa da reação. Na saída não se esqueça as quantidades não convertidas do combustível e não recicladas de O2. Além dos produtos de combustão (CO2, CO, H2O, SO2). 2) Se é dada uma porcentagem de excesso de ar, o O2 alimentado pode ser calculado multiplicando-se o O2 teórico– determinado a partir da vazão de combustível e estequiometria da reação – por (1 + fração de excesso de ar). O N2 alimentado pode então ser calculado como 3,76xO2 alimentado, Observação: 79/21 = 3,76. 28 3) Se somente uma reação é envolvida, tanto faz fazer balanço atômico ou molecular. Se mais de uma reação está envolvida, o balanço atômico é mais aconselhável. Observação: para evitar confusões comuns, observe que: a) o ar teórico requerido para queimar uma dada quantidade de combustível não depende de quanto é realmente queimado. O combustível pode não reagir completamente, e formar CO e CO2, mas o ar teórico é calculado como sendo a quantidade necessária para queimar todo o combustível e formar exclusivamente CO2. b) o valor da porcentagem excesso de ar depende somente do ar teórico e do ar alimentado, e não de quanto O2 é consumido no reator ou se a combustão é completa ou parcial. 29 Exemplo 2.8: Combustão de Gás GLP O gás liquefeito de petróleo (GLP) ou gás de cozinha, contendo 40% de propano (C3H8) e 60% de butano (C4H10) em base molar, é queimado com 50% de ar em excesso. Calcule a análise de Orsat (base seca) e a composição de fumos (base úmida). Câmera de combustão 2 GLP 1 Ar Fumos 3 30 Trabalho em aula: Etano é queimado com 50% excesso de ar. A conversão é de 90%. Do etano queimado, 25% reagem para formar CO e o restante para formar CO2. Calcule a composição do gás de combustão e a relação mols H2O/mols gás combustão seco. Solução: Base de Cálculo: 100 mols de etano alimentado