Balanço de Material com Reação Química - Estequiometria e Estratégias

Balanço de material com reação Estequiometria Estratégias para resolver BM com RQ Terminologias para aplicação Processos com RQ O que se quer prever de processos onde ocorrem RQ O consumo de massa ou do n de mols de cada espécie reagente das reações A massa ou o n de mols de cada espécie remanescente após o final das reações Estequiometria Permite a realização dessa tarefa Estabelece meios aritméticos para relacionar as quantidades geradas de produto nas RQ às quantidades consumidas de reagentes São dados qualitativos e quantitativos fornecidos pela RQ Informa que substâncias estão reagindo reagentes e aquelas que estão sendo geradas produtos Coeficientes de uma RQ Para uma RQ balanceada informam as razões molares entre as substâncias que reagem e as que são produzidas 2 Estratégias para resolver BM com RQ 1 Certifiquese que a RQ está balanceada conferindo se as quantidades de cada um dos elementos químicos presentes são iguais em ambos os lados 2 Use valores de massa molecular para converter massa em nº de mols de reagentes e produtos e viceversa 3 Use os coeficientes estequiométricos da RQ para obter as quantidades molares de produtos gerados e de reagentes consumidos pela reação C7H16l 11O2g 7CO2g 8H2Og 1 mol de heptano irá reagir com 11 mols de oxigênio fornecendo 7 mols de dióxido de carbono mais 8 mols de água 1 mol de dióxido de carbono é formado a partir de cada 17 mol de heptano e 1 mol de água é formado juntamente com 78 mol de dióxido de carbono razões estequiométricas Combustão do heptano Coeficientes estequiométricos dos produtos Nº estequiométricos das espécies C e D aA bB cC dD Coeficientes estequiométricos dos reagentes Nº estequiométricos das espécies A e B Reagentes VA a VB b Produtos VC c VD d RQ geral 3 Terminologias para aplicação Reagente limitante Primeiro reagente a ser 100 consumido Está presente na RQ em proporção estequiométrica menor do que a relativa ao outro reagente Se todos os reagentes estão presentes em proporções estequiométricas então nenhum reagente é limitante Reagente em excesso Outros reagentes que não o limitante Está presente em uma quantidade maior que a sua quantidade estequiométrica para reagir com o reagente limitante Grau de conclusão Fração ou de reagente limitante que reage ou que é convertido em produto Em muitas RQ industriais mesmo com excesso de reagente o reagente limitante não se esgota completamente tempo de contato entre reagentes insuficiente pex Conversão Fração ou de carga alimentação do processo ou de um componente de carga que é convertida em produto Seletividade Razão entre a quantidade de matéria formada do produto desejado e a quantidade de matéria formada do produto não desejado Excesso de reagente Exc n exc de reagente n estequiométrica da reação x 100 Conversão Conv n que reagiun alimentada x 100 Seletividade Selet n produto desejadon produto indesejado Excesso de reagente conversão e seletividade Rendimento Baseado na alimentação Razão entre a quantidade de matéria formada do produto desejado e a quantidade de reagente limitante alimentado Baseado em reagente consumido Razão entre a quantidade de matéria formada do produto desejado e a quantidade consumida de reagente limitante Baseado no consumo teórico do reagente limitante Razão entre a quantidade de matéria formada do produto desejado e a quantidade teoricamente obtida desse produto admitindose consumo completo do reagente limitante Rendimento Base na alimentação Rend n produto desejado n reagente limitante alimentado 100 Rendimento Base no reagente consumido Rend n produto desejado n reagente limitante consumido 100 Rendimento Base no consumo teórico do reagente limitante Rend n produto desejado n teoricamente obtido do produto 100 Rendimento Óxido de etileno pode ser produzido pela oxidação catalítica de eteno de acordo com a seguinte reação 2C2H4 O2 2C2H4O A carga do reator contém 100 kmol de eteno e 80 kmol de oxigênio Calcular a O reagente limitante b O de excesso do reagente Exemplo 1 c As quantidades de cada reagente e produto presentes no final da reação e o de conversão do eteno se o grau de conclusão é 50 d A conversão do eteno a conversão do oxigênio e o grau de conclusão da reação se 50 kmol de O2 estiverem presentes no final da reação Exemplo 1 a O reagente limitante O limitante é C2H4 eteno pois ele deveria estar presente com 2 vezes a quantidade de matéria do O2 para estar em proporção estequiométrica Exemplo 1 Se o C2H4 é limitante a quantidade de O2 pela estequiometria deve ser a metade 21 da quantidade de C2H4 alimentada Assim as quantidades alimentadas serão 100 kmol de C2H4 e 50 kmol O2 Exemplo 1 de excesso do reagente em excesso Reagentes Produto 2C2H4 1O2 2C2H4O 2 1 2 100 kmol 80 kmol 2 50 kmol 100 kmol 1 50 kmol A quantidade que está em excesso de O2 é a diferença entre a quantidade alimentada e aquela que reagiu ou seja que será efetivamente consumida nO2 em excesso 80 50 kmol 30 kmol Exemplo 1 Aplicando a definição de excesso Exc O2 nO2 em excesson estequiométrica da reação 100 Exc O2 30 kmol50 kmol 100 60 Exemplo 1 Quantidades de cada reagente e produto presentes no final da reação e o de conversão do eteno se o grau de conclusão é 50 Reagentes Produto 2C2H4 1O2 2C2H4O 2 1 2 100 kmol 80 kmol 50 kmol 50 kmol2 25 kmol 50 kmol Como o grau de conclusão é de 50 sempre em função do limitante nC2H4 que reage 05 100 kmol 50 kmol Exemplo 1 Como o grau de conclusão é inferior a 100 restará C2H4 que não será consumido nC2H4 em excesso 100 50 kmol 50 kmol Obedecendo à estequiometria de 2C2H4 1O2 nO2 que reage 50 kmol2 25 kmol Exemplo 1 Um vez que foi alimentada uma quantidade maior de O2 do que efetivamente reage restará O2 que não será consumido nO2 em excesso 80 25 kmol 55 kmol Para o produto de acordo com a estequiometria de 2C2H4 2C2H4O nC2H4O produzido 50 kmol Para a conversão do C2H4 ConvC2H4 n que reagiun alimentada 100 grau de conclusão 50 Exemplo 1 d A conversão do eteno a conversão do oxigênio e o grau de conclusão da reação se 50 kmol de O2 estiverem presentes no final da reação Reagentes Produto 2C2H4 1O2 2C2H4O 2 1 2 100 kmol 80 kmol 2 30 kmol 60 kmol 30 kmol Se foram alimentados 80 kmol de O2 e sobrou 50 kmol então nO2 que reage 80 50 kmol 30 kmol Exemplo 1 Obedecendo à estequiometria de 2C2H4 1O2 n C2H4 que reage 2 30 kmol 60 kmol Para as conversões de C2H4 e de O2 Conv C2H4 n que reagiun alimentada 100 Conv C2H4 60 kmol100 kmol 100 60 Conv O2 n que reagiun alimentada 100 Conv O2 30 kmol80 kmol 100 37 Exemplo 1 Para o grau de conclusão da reação Grau de conclusão da reação Conv C2H4 60 Exemplo 1 Em uma fábrica de fertilizantes se produz o fertilizante superfosfato tratando fosfato de cálcio pelo ácido sulfúrico de acordo com a seguinte reação Ca3 PO42 2H2SO4 2CaSO4 CaH4 PO42 Em um teste realizado foram misturados 500 kg de fosfato de cálcio com 260 kg de ácido sulfúrico obtendose 280 kg de superfosfato CaH4 PO42 Considerando que os reagentes e o superfosfato possuem 92 de pureza calcular a O reagente limitante b O de excesso de reagente Exemplo 2 c O de conversão do fosfato em superfosfato mCa3PO42 500 kg mH2SO4 260 kg mCaH4PO42 280 kg Exemplo 2 a O reagente limitante A quantidade de matéria das substâncias envolvidas considerando a pureza n mMM nCa3PO42 500 kg 092 1 kmol31258 kg 147 kmol nH2SO4 260 kg 092 1 kmol9808 kg 244 kmol nCaH4PO42 280 kg 092 1 kmol23406 kg 110 kmol Exemplo 2 Estequiometria Reagentes Produto Ca3PO42 2H2SO4 2CaSO4 CaH4PO42 1 2 2 1 147 kmol 244 kmol 1 147 kmol 2 147 kmol 294 kmol Só se tem 244 kmol de H2SO4 então faltam 050 kmol Assim é possível definir que o ácido sulfúrico é o reagente limitante pois está presente em menor quantidade do que a estequiometria Exemplo 2 b O de excesso de reagente Se o ácido sulfúrico é o limitante o fosfato de cálcio está em excesso Reagentes Produto Ca3PO42 2H2SO4 2CaSO4 CaH4PO42 1 2 2 1 147 kmol 244 kmol 244 kmol2 122 kmol 244 kmol Exemplo 2 Obedecendo à estequiometria de 2H2SO41Ca3PO42 nCa3PO42 que reage 244 kmol H2SO42 122 kmol Um vez que foi alimentada uma quantidade maior de Ca3PO42 do que efetivamente reage restará Ca3PO42 que não será consumido nCa3PO42 em excesso n alim n estequiométrica nCa3PO42 em excesso 147 122 kmol 025 kmol Exemplo 2 Pela definição de excesso ExcCa3PO42 nCa3PO42 em excesson estequiométrica da reação x 100 ExcCa3PO42 025 kmol122 kmol x 100 2050 Exemplo 2 O de conversão do fosfato em superfosfato De acordo com a estequiometria 1Ca3PO421CaH4PO42 nCa3PO42 que reagiu para produzir CaH4PO42 110 kmol nCa3PO42 alimentada 147 kmol Pela definição de conversão Conv Ca3PO42 n que reagiun alimentada 100 Conv Ca3PO42 110 kmol147 kmol 100 7483 Exemplo 2 Atividades propostas Considerando a reação abaixo C4H8 6O2 4CO2 4H2O a A equação está balanceada b Qual o coeficiente estequiométrico de CO2 c Qual a razão estequiométrica de H2O para O2 d Quantos mol de O2 reagem para formar 400 mol de CO2 600 mol e 100 molmin de C4H8 alimentam um reator e 50 reagem A que taxa se forma a água 200 molmin 1 A acrilonitrila é produzida pela reação entre propileno amônia e oxigênio C3H6 NH3 32O2 C3H3N 3H2O A alimentação contém 10 molar de propileno 12 de amônia e 78 de ar 21O2 79N2 Uma conversão de 30 do reagente limitante é atingida Tomando como base 100 molh de alimentação determinar a O reagente limitante C3H6 b O de excesso dos outros componentes NH3 20 O2 93 c Vazões molares de todos os efluentes desse processo C3H6 7 molh NH3 9 molh O2 119 molh C3H3N 3 molh H2O 9 molh N2 616 molh Se você alimentar 10 g de N2 gás e 10 g de H2 gás em um reator N2 3H2 2NH3 a Qual o reagente limitante N2 b Qual o reagente em excesso H2 c Qual será a quantidade máxima de NH3 que poderá ser produzida 072 mol 1225 g Um processo de produção de cloro promove a oxidação de cloreto de hidrogênio com ar 21O2 79N2 de acordo com a reação 4HCl O2 2Cl2 2H2O O gás efluente do reator tem a seguinte composição HCl 1644 Cl2 1250 H2O 1250 O2 736 e N2 5120 molar Calcular então a A conversão do HCl 6033 b A conversão do O2 4592 c A quantidade de ar que entra no processo 648 kmol nCl2P 125 kmol nHClP 1644 kmol nHClesteq 25 kmol nHClF 4144 kmol nO2esteq 736 kmol nO2Ar 1361 kmol nN2Ar nN2P 512 kmol HCl F 21 O2 79 N2 Ar 125 Cl2 125 H2O 1644 HCl 736 O2 512 N2 P Reagentes excedentes 4