3 BALANÇO COM REAÇAO QUIMICA

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3. BALANÇOS COM REAÇÃO QUÍMICA
RUBENS FERRARI
FAMEG – FEVEREIRO 2016
3. BALANÇOS COM REAÇÃO QUÍMICA
- DEFINIÇÕES: REAGENTE LIMITANTE E EM EXCESSO, FRAÇÃO DE CONVERSÃO, SELETIVIDADE E RENDIMENTO;
 - BALANÇOS ENVOLVENDO REAÇÕES DE COMBUSTÃO;
3.1 REAGENTE LIMITANTE
Qualquer balanço deve ser calculado em uma Base de Cálculo. Para reações químicas a Base de Cálculo a ser adotada deve estar relacionada ao Reagente Limite. O reagente limite é aquele que aparece em menor proporção em relação à proporção estequiometricamente requerida.
Os cálculos que envolvem reações químicas, são muitas vezes, facilitados quando realizados em base molar. Contudo, é importante lembrar que o número de mols final não é necessariamente igual ao número total de mols, inicialmente, alimentados à reação.
Assim sendo, temos que: “A massa global de um sistema é mantida durante uma transformação química”; porém, “o número de mols total de um sistema não é mantido em processos que envolvem reações químicas”.
O reagente consumido em primeiro lugar numa reação química é designado reagente limitante. Os outros reagentes dizem-se em excesso.
3.1 REAGENTE LIMITANTE
3.1.1 DETERMINAÇÃO DO REAGENTE LIMITANTE
O “Reagente Limite’’ é aquele que ‘’Limita’’ a reação por esgotar-se antes dos demais reagentes. Ou seja, aquele que se apresenta em uma proporção menor em relação a estequiometria da reação.
A menor relação entre número de mols alimentados e número de mols estequiométricos (nAl/nest) define o reagente limitante,ou seja, O reagente limitante define a extensão da reação.
3.1.1 DETERMINAÇÃO DO REAGENTE LIMITANTE
Exemplo: 80,4 Kg.mols de FeSO4; 35,1 Kg.mols de KMnO4 e 135,7 Kg.mols de H2SO4 são alimentados num reator. Qual é o reagente limitante? 
10 FeSO4 + 2 KMnO4 + 8 H2SO4  5 Fe2(SO4)3 +2 MnSO4 + K2SO4 + 8H2O
3.1.2 Porcentagem em excesso de um reagente A
“n reage A” é dado a partir da estequiometria e do reagente limitante 
n reage A = n reagente limitante X n est. A
Exemplo: Qual a % em excesso do FeSO4 e H2SO4 no exemplo anterior?
3.1.2 Porcentagem em excesso de um reagente A
3.1.2 Porcentagem em excesso de um reagente A
Exemplo: Quanto será a composição dos produtos, considerando exemplo anterior?
Para os Reagentes: SAI = ENTRA - REAGE(CONSUMIDO)
Para os Produtos: SAI = ENTRA + REAGE(GERADO)
3.1.2 Porcentagem em excesso de um reagente A
Exemplo II: Um reator é alimentado com 105 Kg.mols de H2O2, 37 kg.mols de KMnO4 e 500 Kg.mols de H2SO4.
a) Determine qual o reagente limitante.
b) Determine a porcentagem em excesso dos demais reagentes.
c) Calcule quantos Kg.mols de O2 serão produzidos.
 5 H2O2 + 2 KMnO4 + 3 H2SO4  5 O2 + 2 MnSO4 + K2SO4 + 8H2O
3.1.3 GRAU DE COMPLEMENTAÇÃO OU CONVERSÃO DE UMA REAÇÃO
Definimos o Grau de Complementação (X) ou Conversão de uma reação como o número de mols do Reagente Limite reagidos em relação ao número de mols, deste, alimentados.
Reações químicas normalmente são lentas, portanto não é prático projetar um reator para conversão completa do reagente limitante.
Então, a saída do reator contém reagentes não convertidos, que serão separados dos produtos e re-alimentam o reator (para processos em fluxo contínuo).
3.1.3 GRAU DE COMPLEMENTAÇÃO OU CONVERSÃO DE UMA REAÇÃO
3.1.4 RENDIMENTO
Descreve o grau em que uma reação de interesse predomina sobre as reações secundárias. 
• Ex.: Considere o processo de produção do eteno
			C2H6  C2H4 + H2
• São reações secundárias (indesejáveis)
	C2H6 + H2  CH4		e C2H4 + C2H6  C3H6 + CH4
Observe que as equações para rendimento envolvem produto e reagente!
3.1.5 SELETIVIDADE
Também descreve o grau em que uma reação de interesse predomina sobre as reações secundárias 
• Ex.: Considere o processo de produção do eteno
		C2H6  C2H4 + H2
• São reações secundárias (indesejáveis)
	C2H6 + H2  CH4		e C2H4 + C2H6  C3H6 + CH4 
Observe que as equações para seletividade envolvem apenas os produtos!
3.1.6 EXERCÍCIOS
Exemplo III: Acrilonitrila (C3H3N) é produzida pela reação de propileno, amônia e oxigênio:
		C3H6 + NH3 + 3/2 O2 → C3H3N + 3 H2O
A alimentação molar contém 10% de propileno, 12% de amônia e 78% de O2.
a) Qual é o reagente limitante?
b) Qual a porcentagem em excesso dos demais reagentes?
c) Calcule os kg-mol de C3H3N produzidos para uma conversão de 30% do reagente limitante.
d) Calcule os kg-mol de O2 restantes para uma conversão de 30% do reagente limitante.
3.1.6 EXERCÍCIOS
Exemplo IV: Produção do eteno (C2H4). As reações : 
 C2H6 → C2H4 + H2 (reação principal) e 
 C2H6 + H2 → 2 CH4 (reação indesejada)
se desenvolvem em um reator contínuo em estado estacionário. A 
vazão molar de alimentação é 100,0 kg.mol/h. A composição dos gases
 é dada pela tabela a seguir:
a) Calcule a vazão de saída
b) Calcule a conversão do etano (C2H6) baseado na alimentação.
c) Calcule o rendimento do eteno baseado no consumo.
d)Calcule a seletividade do eteno relativa ao metano.
3.2 BALANÇOS ENVOLVENDO REAÇÕES DE COMBUSTÃO
3.2.1 COMBUSTÃO 
 Processo industrial em que um combustível é queimado com um comburente.
 Combustível: normalmente uma mistura de hidrocarbonetos, com contaminação de compostos de enxofre.
 Comburente: normalmente oxigênio do ar, em excesso em relação ao combustível. 
 Reações.
			C + O2 → CO2 (combustão completa)
			2H2 + O2 → 2 H2O
			S + O2 → SO2
			C + ½ O2 → CO (combustão incompleta)
 Gera-se uma mistura gasosa conhecida como gás de combustão ou gás de chaminé. Seus principais componentes serão CO2, H2O, SO2, N2 (inerte) e CO (combustão incompleta).
Por razões econômicas óbvias, o ar é fonte de oxigênio. Sua composição molar é de 79% de N2 e 21% de O2.
3.2 BALANÇOS ENVOLVENDO REAÇÕES DE COMBUSTÃO
3.2.2 TERMINOLOGIA
Oxigênio teórico: o número de mols ou vazão molar de O2 necessários para a combustão completa de todo o combustível do reator, assumindo-se que todo C se converta a CO2 e todo H se converta a H2O.
Ar teórico: a quantidade de ar que contém o oxigênio teórico.
Excesso de ar: a quantidade de ar alimentado que excede a quantidade teórica.
3.2 BALANÇOS ENVOLVENDO REAÇÕES DE COMBUSTÃO
Conhecendo-se a estequiometria de reação completa, determina-se o O2 teórico.
1. Não esquecer de incluir o N2 na entrada e na saída do fluxograma. 
2. Não esquecer do combustível e do O2 não reagidos na saída, além dos produtos de combustão (CO2, H2O, Quando combustão é incompleta, lembrar do CO).
3. Se é dada uma porcentagem em excesso de ar, o O2 realmente alimentado pode ser calculado utilizando-se a equação.
4. O ar teórico é calculado como sendo a quantidade necessária para queimar todo o combustível e formar exclusivamente CO2, e independe da quantidade de combustível queimado na prática (conversão).
5. O valor da porcentagem de excesso de ar depende somente do ar teórico e do ar alimentado, e não quanto do O2 é consumido no reator, ou se a combustão é completa ou parcial.
3.2 BALANÇOS ENVOLVENDO REAÇÕES DE COMBUSTÃO
Exemplo V: 
100 kg.mol/h de butano (C4H10) e 5000 kg.mol/h de ar são alimentados a um reator de combustão. Calcular:
a) o oxigênio teórico 
b) o ar teórico
c) a porcentagem de ar em excesso.
			C4H10 + 13/2 O2 → 4 CO2 + 5 H2O
3.2 BALANÇOS ENVOLVENDO REAÇÕES DE COMBUSTÃO
Exemplo VI: 
150,0 kg/h de C8H18 reage com 55,0% de ar em excesso, numa reação de combustão total, com conversão de 68,5%.
a) Determine o O2 teórico.
b) Determine o ar teórico.
c) Determine a vazão de ar na entrada.
d) Determine a composição da corrente de entrada.
e) Determine a vazão de C8H18 na saída.
f) Determine quantos Kg.mol/h de C8H18 reagem.
g) Determine a composição da corrente de saída. 
3.2 BALANÇOS ENVOLVENDO REAÇÕES DE COMBUSTÃO
Exemplo VII: 
Etano reage com oxigênio para formar dióxido de carbono e água, conforme reação:
 C2H6 + 7/2 O2  2 CO2 + 3 H2O
Sabe-se
que 100 g.mol/h de etano e 100 g.mol/h de O2 são alimentados em um forno. Determine:
a) a razão estequiométrica entre o oxigênio e o etano.
b) o reagente limitante.
c) a porcentagem em excesso do outro reagente.
3.3 EXERCICIOS DE BALANÇOS ENVOLVENDO REAÇÕES QUÍMICAS
Exemplo VIII: 
NH3 reage com excesso de O2, de acordo com a reação:
			4 NH3 + 5 O2  4 NO + 6 H2O
A conversão por passe é de 70 %.
Baseado no fluxograma abaixo, calcule:
a) A vazão de NO na saída do separador. 
b) A vazão do reciclo de NH3.
3.3 EXERCICIOS DE BALANÇOS ENVOLVENDO REAÇÕES QUÍMICAS
Exemplo IX: 
d-glicose e d-frutose apresentam a mesma fórmula química (C6H12O6), mas possuem propriedades físico-químicas diferentes. Glicose é convertida em frutose conforme mostrado na figura abaixo. Calcule a razão da vazão de reciclo pela vazão de alimentação. Considere que a conversão por passe no conversor é de 60%.
3.3 EXERCICIOS DE BALANÇOS ENVOLVENDO REAÇÕES QUÍMICAS
Exemplo X: 
Propano (C3H8) é queimado com ar em um reator
A reação do processo é: C3H8 + 5 O2  3 CO2 + 4 H2O.
 Assuma que:
• a vazão de ar na entrada do reator é igual ao ar teórico;
• não ocorre formação de monóxido de carbono;
• a conversão global do propano é de 100%.
• a composição molar do ar é 79% N2 e 21% O2.
Calcule a composição molar da saída do reator.