Aula_BME_Reações Químicas_09.09_Noturno

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Professora : Elisângela Moraes 
 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO 
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - EEL 
 
 
 
SISTEMA 
Reações Químicas 
Fluxo 
Massa 
Fluxo 
Massa 
Fluxo 
Mecanismos responsáveis pela variação da massa no interior dos sistemas: 
Fluxos e Reações Químicas. 
Principal diferença em relação aos balanços vistos até aqui!! 
Fluxos ou Correntes: responsáveis pela entrada e saída de matéria (massa) no sistema. 
Reações Químicas: responsáveis pela geração e consumo de espécies químicas. 
BALANÇO MATERIAL EM PROCESSOS COM REAÇÃO QUÍMICA 
BALANÇO MATERIAL EM PROCESSOS COM REAÇÃO QUÍMICA 
Acúmulo = 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑆𝑎í𝑑𝑎 + 𝐺𝑒𝑟𝑎çã𝑜 − 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 
Lembrando que: a entrada e saída acontecem sempre nas fronteiras do VC . 
 
Geração: refere-se à produtos sendo formados durante a reação dentro do 
reator; 
 
Consumo: refere-se aos reagentes tendo suas concentrações diminuídas e 
consequentemente acontecendo sua transformação em produtos. 
4 
Em virtude de a estequiometria da reação relacionar quantidades 
molares, nos processos com reação química deve-se realizar balanços 
molares para as espécies envolvidas e não mássicos. 
O termo REAGE (geração e consumo) é levado em conta. 
Considere a seguinte estequiometria geral: 
aA + bB  cC + dD 
Após o balanceamento da equação, pode-se escrever as seguintes 
relações: 
Ou simplesmente: 
COMPORTAMENTO DO BM EM PROCESSOS COM 
REAÇÃO QUÍMICA 
Assim, se soubermos a quantidade que reage de uma 
determinada espécie química que participa da reação, através da 
estequiometria, podemos conhecer as outras espécies. 
Exemplo: 
Seja a reação de decomposição do peróxido de hidrogênio (H2O2) 
2H2O2  2H2O + O2 
A relação entre as quantidades que reagem é dada por: 
Multiplicando por 2 tem-se: 
Balanço de massa em processos com 
REAÇÃO QUÍMICA 
Reagente em proporção estequiométrica 
Os reagentes de uma reação estão em proporção estequiométrica, 
quando na alimentação do reator a relação molar é igual a relação 
estequiométrica. 
Considere a reação: 
2A + B  A2B 
A proporção estequiométrica é dada por: 
Por exemplo, se 400 mols de A são alimentados, deve-se alimentar 200 
mols de B para que a proporção estequiométrica seja atendida. 
Balanço de massa em processos com 
REAÇÃO QUÍMICA 
Reagente limitante e reagente em excesso 
 Reagente limitante: é aquele que aparece em menor quantidade; 
 Reagente em excesso: é a aquele que aparece acima da proporção 
estequiométrica. 
2A + B  A2B 
Seja a reação do caso anterior: 
Balanço de massa em processos com 
REAÇÃO QUÍMICA 
 Conversão – as reações químicas não ocorrem instantaneamente. Ao 
contrário, freqüentemente desenvolvem-se muito lentamente. Nestes 
casos, não é prático projetarmos o reator para tal conversão completa do 
reagente limitante. Então o efluente do reator conterá ainda reagentes não 
convertidos, que serão separados dos produtos e reciclados para a 
alimentação (se for economicamente viável, para isso, deve-se fazer os 
cálculos da viabilidade econômica). A conversão de um reagente é a razão 
entre o número de mols que reage e o número de mols alimentado do 
reagente limitante: 
 
XA = 
𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑒 𝐴 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑑𝑜𝑠
𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑒 𝐴 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑠
 = 
𝑛𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 −𝑛𝑠𝑎𝑖
𝑛𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
 
 
 A fração de A não convertida é então, 1-XA. Se 100 mol de A são 
alimentados e 90 deles reagem, a conversão será de 90%. 
 
Balanço de massa em processos com REAÇÃO 
QUÍMICA 
CONVERSÃO GLOBAL E POR PASSE 
 
Conversão global = n entra no processo - n sai do processo 
 de um reagente n entra no processo 
 
Conversão por passe = n entra no reator - n sai do reator 
 de um reagente n entra no reator 
 
 Exemplo, para o processo abaixo no qual A  B 
Conversão global de A = (75 – 0)/75 = 1 = 100% 
 
Conversão por passe de A = (100 – 25)/100 = 0,75 = 75% 
 
Reator US 
75 kg.mol A 100 kg.mol A 25 kg.mol A 
75 kg.mol B 
25 kg.mol A 
75 kg.mol B 
0 kg.mol A 
Balanço de massa em processos com REAÇÃO 
QUÍMICA 
 Rendimento e Seletividade – Consideremos a reação de produção de 
eteno a partir da desidrogenação do etano: C2H6 → C2H4 + H2. A partir 
do momento que H2 é produzido ele pode reagir com C2H6 formando 
metano: C2H6 + H2 → 2 CH4 
 Além disso, o próprio eteno pode reagir com etano para produzir 
propileno e metano, pela reação: C2H4 + C2H6 → C3H6 + CH4 
 Desde que o objetivo do processo é produzir eteno, somente a 
primeira destas reações, chamadas de reações múltiplas (reações em série e 
em paralelo), é desejada. As demais reações e conseqüentemente demais 
produtos, são indesejáveis. O projeto de engenharia do reator e as 
considerações de operação devem levar em consideração não somente como 
maximizar a produção do produto desejado (eteno), como minimizar a 
produção de subprodutos indesejáveis (CH4 e C3H6). 
 Os termos rendimento e seletividade são usados para descrever o 
grau em que a reação desejada predomina sobre as reações competitivas. 
Balanço de massa em processos com REAÇÃO 
QUÍMICA 
Rendimento (baseado na alimentação): 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜
𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜
 
Rendimento (baseado no consumo de reagentes): 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜
𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜
 
Seletividade: 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜
𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜
 
 Quanto maiores os valores de rendimento e seletividade, maior será a 
produção do produto desejado. Seletividade apresenta outras definições, como, 
por exemplo, quantidade de um produto formado pela quantidade de todos os 
produtos formados (desejados e indesejados). 
Balanço de massa em processos com REAÇÃO 
QUÍMICA 
Reciclo em processos com reação 
Considere o exemplo abaixo: 
REATOR 
Produto 
Corrente de reciclo 
Operação de RECICLO com reação 
Unidade 
de 
separação 
Alimentação 
Em operações com reciclo, duas definições são importantes em relação à 
conversão dos reagentes: 
Balanço de massa em processos com 
REAÇÃO QUÍMICA 
Reciclo em processos com reação 
1. Conversão no reator (XR): considera o reator como volume de controle (VC) 
REATOR 
VC 
0 < XR < 1 ou 0 < XR < 100% 
Balanço de massa em processos com 
REAÇÃO QUÍMICA 
Reciclo em processos com reação 
2. Conversão global (XG): considera como volume de controle (VC) o processo 
com um todo. 
REATOR 
Produto 
Corrente de reciclo 
Unidade 
de 
separação 
Alimentação 
VC 
0 < XG < 1 ou 0 < XG < 100% 
Balanço de massa em processos com 
REAÇÃO QUÍMICA 
Reciclo em processos com reação 
O objetivo do reciclo é aumentar o processo de conversão do reagente não 
convertido, através de sua separação e retorno ao processo. 
Sendo assim, tem-se que: 
 Conversão global > conversão no reator 
Exemplo: considere o processo reciclo com a reação: A  B 
REATOR 
10 mol A/h 
30 mol A/h 
Unidade 
de 
separação 
60 mol A/h 90 mol A/h 40 mol A/h 
Balanço de massa em processos com 
REAÇÃO QUÍMICA 
Reciclo em processos com reação 
A conversão no reator (XR) será: 
REATOR 
VC 
90 mol A/h 40 mol A/h 
Balanço de massa em processos com 
REAÇÃO QUÍMICA 
Reciclo em processos com reação 
A conversão global (XG) será: 
REATOR 
10 mol A/h 
30 mol A/h 
Unidade 
de 
separação 
60 mol A/h 90 mol A/h 40 mol A/h 
VC 
Balanço de massa em processos com 
REAÇÃO QUÍMICA 
EXERCÍCIOS 
1. Acrilonitrila (C3H3N) é produzida pela reação de propileno, amônia e 
oxigênio: 
C3H6 + NH3 + O2 → C3H3N + H2O 
A alimentação mássica contém 10% de propileno, 12% de amônia e 78% de ar. 
a) Qual é o reagente limitante? 
b) Quais os reagentes em excesso? Qual a porcentagem em excesso? 
c) Calcule os kg/h de C3H3N produzidos por kg/h de propileno alimentadopara 
uma conversão de 30% do reagente limitante. 
2. Em uma fábrica de fertilizante se produz o fertilizante “superfosfato”, 
tratando fosfato de cálcio com 92% de pureza pelo ácido sulfúrico 
concentrado, de acordo com a seguinte reação: 
 
Ca3(PO4)2 +2 H2SO4 → 2 CaSO4 + CaH4(PO4)2 
 
 Em um teste foram misturados 0,50 g de fosfato de cálcio com 0,26 g 
de ácido sulfúrico, obtendo-se 0,28 g de superfostato, CaH4(PO4)2. Calcule: 
 
a) O reagente limitante; 
b) A fração em excesso de reagente; 
c) O rendimento da reação. 
EXERCÍCIOS 
3. As reações : C2H6 → C2H4 + H2 e C2H6 + H2 → 2 CH4, se desenvolvem em 
um reator contínuo em estado estacionário. A vazão mássica de alimentação é 
100,0 kg/h. A composição dos gases é dada pela tabela a seguir: 
 
 
C2H6 C2H4 H2 CH4 inertes 
Alimentação (% ) 85,0 15,0 
Produto (% ) 30,3 28,6 26,8 3,6 10,7 
EXERCÍCIOS 
 Calcule a conversão do etano, os rendimentos do eteno, baseados na 
alimentação e no consumo de reagente. Calcule também a seletividade do eteno 
relativa ao metano e relativa a todos os produtos. 
EXERCÍCIOS 
4. No processo Haber-Bosch de produção de amônia (NH3), hidrogênio 
(H2) proveniente de gás natural e nitrogênio (N2) proveniente do ar reagem 
em condições elevadas de pressão e temperatura (200 atm e 450 oC ) de 
acordo com a seguinte equação: 
N2 + 3H2  2 NH3 
 Os reagentes são alimentados no processo na razão molar de 2 mols 
H2/1 mol N2 e a conversão global em relação ao hidrogênio (XG) é de 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. 
REATOR 
5 
4 (H2, N2) 
Unidade de 
separação 
1 2 
M 
3 
NH3 = ? 
H2 = ? 
 N2 = ? 
H2 = ? 
N2 = ?