pqi 3103 - lista de exercícios III

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PQI 3103 – LISTA DE EXERCÍCIOS III 
 
BALANÇOS MATERIAIS COM REAÇÕES QUÍMICAS 
 
Exercícios para apoio ao estudo – não é necessário entregar a solução da lista 
 
Para problemas com múltiplas unidades de processamento, realize a análise do número de 
graus de liberdade para cada unidade, para o processo como um todo e para os balanços 
globais. Recomenda-se atualizar a análise a cada unidade/conjunto de balanços resolvidos. 
 
1. (Exercício 3.10, G.V. Reklaitis, 1ª. Ed.) Superfosfato é produzido reagindo-se fosfato de cálcio 
com ácido sulfúrico conforme a reação: 
 
Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 → CaH4(PO4)2 + 2CaSO4 
 
Se 20000 kg/dia de fosfato de cálcio contendo 14% em massa de impurezas inertes são regidos 
com 15000 kg/dia de ácido sulfúrico 92% em massa, determinar a taxa de produção de 
superfosfato admitindo que a conversão do reagente limitante seja igual a 95%. (Resposta: 52,71 
kmol/dia) 
 
2. (Exercício 3.8, G.V. Reklaitis, 1ª. Ed.) Hipoclorito de sódio é obtido pela reação: 
 
2NaOH + Cl2 → NaOCl + NaCl + H2O 
 
em um reator contínuo, borbulhando-se Cl2 através de uma solução aquosa concentrada de NaOH 
40% em massa. Suponha que a solução aquosa de NaOH seja alimentada a 1000 kg/h e a corrente 
de gás cloro, a 10 kgmol/h. 
 
a) Calcular o número de graus de liberdade admitindo que a conversão seja especificada. 
b) Determinar o reagente limitante. 
c) Calcular a composição de saída do reator admitindo conversão de 100% do reagente 
limitante. (Resposta: frações molares de Cl2, NaOCl e NaCl iguais a 0,0938; fração molar 
de água, 0,7188) 
d) Calcular a composição de saída do reator admitindo conversão de 60% do reagente 
limitante. (Resposta: frações molares de NaOH, Cl2, NaOCl, NaCl e H2O iguais a 0,075, 
0,1313, 0,0563, 0,0563 e 0,6813, respectivamente) 
 
3. (Exercício 3.11, G.V. Reklaitis, 1ª. Ed.) No processo de hidratação catalítica de etileno a álcool 
etílico, somente uma fração do etileno é convertida. O produto é condensado e removido após 
cada passagem pelo conversor, sendo os gases não convertidos reciclados. Sabe-se que o 
condensador permite separar todo o álcool e que os gases reciclados contêm 6,5% (base molar) 
de vapor d’água. A conversão do etileno por passagem no conversor é igual a 4,5%. A razão 
molar água/etileno na alimentação do conversor, após a mistura do gás de reciclo com a 
alimentação fresca da planta, é igual a 0,55. Calcular todas as correntes do processo. (Resposta: o 
condensado contém 9,31% molar de C2H5OH, sendo o restante, água) 
4. (Exercício 3.12, G.V. Reklaitis, 1ª. Ed.) Ácido acético pode ser produzido pela reação: 
 
3C2H5OH + 2Na2Cr2O7 + 8H2SO4 → 3CH3COOH + 2Cr2(SO4)3 + 2Na2SO4 + 11H2O 
 
No sistema apresentado na figura a seguir, obtêm-se 90% de conversão global de C2H5OH com 
vazão de reciclo igual à vazão de alimentação de C2H5OH fresco. Os reagentes H2SO4 e 
Na2Cr2O7 frescos são alimentados com excesso de 20% e 10%, respectivamente, em relação às 
quantidades estequiométricas requeridas pela corrente de alimentação de C2H5OH virgem. A 
corrente de reciclo contém apenas H2SO4 e C2H5OH e a corrente de topo do separador, apenas 
CH3COOH; a separação de H2SO4 e de C2H5OH é parcial e a de CH3COOH, total. Se a corrente 
de reciclo contém 94% de H2SO4 e o restante C2H5OH, calcular a vazão molar de ácido acético e 
a conversão de C2H5OH no reator. (Resposta: 900 kmol/h; 84,9%). 
 
 
 
5. O metanol pode ser produzido pela reação de dióxido de carbono e hidrogênio, segundo: 
 
CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O 
 
A alimentação virgem do processo contém hidrogênio, dióxido de carbono e 0,4% molar de 
inertes (representados por I). O efluente do reator passa a um condensador, que retira 
essencialmente todo o metanol e a água formados e nenhum dos reagentes ou inertes. Estas 
substâncias são recicladas ao reator. Para evitar acúmulo de inertes no sistema, uma corrente de 
purga é retirada do reciclo. A alimentação combinada do reator (alimentação virgem do processo 
+ corrente de reciclo) contém 28% de CO2, 70% de H2 e o restante inertes (% molares). A 
conversão no reator é de 60%. Calcular a vazão e composição molar da alimentação virgem, a 
alimentação total do reator, a corrente de reciclo e a corrente de purga para uma produção de 
metanol de 155 kgmol/h. (Resposta: alimentação virgem, 681 kmol/h, 25,6% molar de CO2, 74% 
molar H2 e 0,4% molar I; alimentação do reator, 1110 kmol/h; reciclo, 428 kmol/h; purga, 59,9 
kmol/h) 
 
 
 
 
 
6. Óxido de etileno, usado na produção de etilenoglicol, é produzido a partir da oxidação parcial 
de etileno com de ar empregando-se um catalisador à base de prata. A reação principal é: 
 
2C2H4 + O2 → 2C2H4O 
 
Por outro lado, parte do etileno também sofre oxidação total a CO2 e H2O, a partir da reação 
paralela: 
 
C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O 
 
A alimentação a um reator consiste de 10% de etileno e o restante de ar, em base molar, obtendo-
se 25% de conversão de etileno e rendimento de 80% em óxido de etileno. Calcular a composição 
molar da corrente de saída do reator. (Resposta: O2, 16,6%; H2O, 1%; CO2, 1%; N2, 71,8%; 
C2H4, 7,6%; C2H4O, 2%) 
 
7. (Exercício 3.20, G.V. Reklaitis, 1ª. Ed.) Um composto C é produzido a partir dos reagentes A e 
B a partir das seguintes reações: 
 
2A + B→ 2D + E (1) 
A + D → 2C + E (2) 
C + 2B → 2F (3) 
 
A alimentação ao reator consiste de uma mistura contendo 2 mols de A para cada mol de B. 
Obtém-se no reator conversão de 80% de A e uma corrente contendo 4 mols de A para cada mol 
de B, além de 6 mols de produtos combinados C, D, E e F por mol de reagentes residuais A e B 
(cf. figura a seguir). Para uma alimentação de 200 mol/h de A: 
 
a) Calcular as taxas de cada uma das reações e a vazão molar total da corrente de produto. 
(Resposta: r1 = 43,3 mol/h; r2 = 73,3 mol/h; r3 = 23,3 mol/h; 176.65 mol/h) 
b) Calcular o rendimento de produção de C em relação ao reagente A. (Resposta: 38,5%) 
 
 
8. Ácido sulfúrico é produzido a partir da oxidação do enxofre a SO3 seguida da reação deste com 
água. Na versão simplificada do fluxograma de processo ilustrada na figura a seguir, ar e enxofre 
são alimentados a um queimador em que o enxofre é inicialmente oxidado a SO2 pela reação: 
 
S + O2  SO2 (1) 
 
Neste reator, todo enxofre é convertido a SO2. Para tanto, a corrente de ar (21% O2 e 79% N2 em 
base molar) contém 80% de excesso de oxigênio em relação à quantidade estequiométrica 
necessária para converter o enxofre a SO2. A corrente gasosa que deixa o queimador segue para 
um reator catalítico, no qual todo o SO2 é oxidado a SO3 utilizando um catalisador à base de 
V2O5. Na sequência, a corrente gasosa contendo SO3 entra em contato com uma solução 
concentrada de H2SO4 concentrado em uma torre (torre de oleum), de modo que o SO3 reage com 
a água presente nessa corrente por meio da reação: 
 
SO3 + H2O  H2SO4 (2) 
 
Nessa torre, parte do SO3 é dissolvida no ácido gerando um produto (oleum) que consiste em 
37,5% de SO3 e o restante H2SO4 (base mássica). A corrente gasosa que deixa a torre de oleum, 
contendo 12% (base molar) de SO3, é direcionada a uma segunda torre, na qual entra em contato 
com uma solução mais diluída de ácido (80% H2SO4 e o restante, água, em base mássica). Nesta 
unidade, todo o SO3 remanescente é convertido a H2SO4, segundo a reação (2). A corrente de 
H2SO4 diluída que alimenta a torre de ácido é gerada reciclando-se parte da corrente concentrada 
que sai do fundo dessa torre, misturando-a com água em um equipamento apropriado. Admitir 
que a planta tenha sido projetada para produzir 20000 lb/dia de solução concentrada contendo 
90% em base mássica de ácido sulfúrico. 
 
a) Com base na análise completa do número de graus de liberdade e sem escrever qualquer 
equação, estabeleça uma sequência adequada de cálculo da planta, com base na 
atualização passo a passo da análise dos graus de liberdade (não se esqueça de atualizarna 
contagem os balanços e/ou as relações de processo que se tornem redundantes à medida 
que se resolvam as unidades). 
b) Calcular as vazões mássicas (lb/dia) e as composições de todos os componentes em todas 
as correntes de processo. Apresentar o resultado na forma de uma tabela de dados para a 
planta.