Exercicio-Reator_Amonia

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10.511-2 Balanços de Massa e Energia 1 
 
Exercício: Produção de amônia 
 No processo Haber-Bosch de produção de amônia, hidrogênio (H2) proveniente de gás 
natural e nitrogênio (N2) proveniente do ar reagem em condições elevadas de pressão e 
temperatura (200 atm e 450ºC), de acordo com a seguinte equação: 
N2 + 3 H2 Æ 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% dos reagentes não convertidos no reator, calcule a conversão no reator em 
uma planta que produz 100 toneladas de NH3 por dia. 
 Pode-se notar que se trata de um processo contínuo com reciclo e com reação no estado 
estacionário. O fluxograma que segue ilustra o processo em questão: 
 
 
Solução 1 (Balanços atômicos): 
Denominando o hidrogênio como H, o nitrogênio como N e a amônia como A, inicialmente 
organizamos as informações antes de iniciarmos os balanços de massa. 
 “reagentes alimentados no processo na razão molar de 2 mols H2/1 mol N2” 
 
11 NH n2n && ⋅= (1) 
 “planta produz 100 toneladas de NH3 por dia” 
 

⋅


⋅


⋅=
h 24
dia 1
mol-ton 1
kmol 10
NH ton 17
 NH mol-ton 1
dia
NH ton
 100n
3
3
33
A5
& 
 
h
NH kmol
 1,245n 3A5 =& 
 A conversão global (XG) para o H2 é dada por: 
 
1
51
H
HH
G n
nn
X &
&& −= Æ 
1
51
H
HH
n
nn
100
95
&
&& −= logo: 
 
15 HH n05,0n && ⋅= (2) 
 Unidade de separação recicla 98% dos reagentes não convertidos no reator; 2% restantes 
saem na corrente de produto (corrente 5). Logo, tem-se que: 
 
34 HH n98,0n && ⋅= (3) 
 
35 HH n02,0n && ⋅= (4) 
10.511-2 Balanços de Massa e Energia 2 
 
 Esse exercício será resolvido por meio de balanços atômicos para o hidrogênio (H) e o 
nitrogênio (N). Realizando um balanço global envolvendo as correntes 1 e 5 para o hidrogênio 
atômico (H), tem-se que: 
 
 SAI (H) = ENTRA (H) 
 
 O hidrogênio atômico (H) entra no processo pela corrente 1 na molécula de H2 e deixa o 
processo pela corrente 5 nas moléculas de H2 e de NH3, logo: 
 


⋅=


⋅+


⋅
2
2
H
2
2
H
3
3
H kmol 1
H kmol 2
h
H kmol
n
H kmol 1
H kmol 2
h
H kmol
n
NH kmol 1
H kmol 3
h
NH kmol
 1,245
15
&& 
 
15 HH n2n23,735 && ⋅=⋅+ (5) 
 Substituindo a Equação 2 na Equação 5, tem-se que: 
 
h
H kmol
 387n 2H1 =& e h
H kmol
4,19n 2H5 =& 
 Pela Equação 1, tem-se que: 
 
h
N kmol
 5,193n 2N1 =& 
 Utilizando-se as Equações 3 e 4, tem-se que: 
 
h
H kmol
 5,967n 2H3 =& e h
H kmol
 2,948n 2H4 =& 
 Realizando-se o BM para o H2 no ponto de mistura (M), tem-se que: 
 
412 HHH nnn &&& += Æ 2,948387n 2H +=& Æ h
H kmol
 2,1335n 2H2 =& 
 Assim, pose-se calcular a conversão no reator como sendo: 
 
2,1335
5,9672,1335
n
nn
X
2
32
H
HH
R
−=−= &
&&
 Æ (27,5%) 275,0XR = 
 
 
10.511-2 Balanços de Massa e Energia 3 
 
Solução 2 (Balanços para H2, N2 e NH3): 
 Produção de amônia pela unidade: 


⋅


⋅


⋅=
h 24
dia 1
mol-ton 1
kmol 10
NH ton 
 NH mol-ton 1
dia
NH ton
 
3
3
33
17
1005
3NH
n& 
h
NH kmol
 31,2455
3
=NHn& 
 
Balanço de Massa para NH3: 
SAI (NH3) = ENTRA(NH3) + GERADO(NH3) 
)GERADO(NHnn 3
1
NH
5
NH 33
+= && 
)GERADO(NH0245,1 3+= 
h
NH kmol
245,1)GERADO(NH 33 = 
 
Balanço de Massa para H2: 
SAI (H2) = ENTRA(H2) - CONSUMIDO(H2) 
)HCONSUMIDO(nn 2
1
H
5
H 22
−= && 
 
Da estequiometria da reação sabemos que: 
2
)GERADO(NH
3
)HCONSUMIDO( 32 = Æ )GERADO(NH)HCONSUMIDO( 32 ⋅= 2
3 
 
Logo, temos: 
)GERADO(NHnn 3
1
H
5
H 22
⋅−=
2
3&& 
( )1,245
2
3 ⋅−= 1H5H 22 nn && (1) 
 
A conversão global (XG) para o H2 é dada por: 
5
51
2
22
H
HH
G n
nn
X &
&& −= Æ 5
51
2
22
100
95
H
HH
n
nn
&
&& −= 
Logo: 
10.511-2 Balanços de Massa e Energia 4 
 
15
22
05,0 HH nn && ⋅= 
 
Substituindo na equação 1, vem: 
( )1,245
2
3 ⋅−=⋅ 1H1H 22 nn0,05 && 
h
21
H
H kmol
387n
2
=& 
h
25
H
H kmol
1n
2
4,9=& 
 
unidade de separação recicla 98% dos reagentes não convertidos no reator; os 2% 
restantes saem na corrente de produto (corrente 5). Logo, tem-se que: 
 34
22
98,0 HH nn && ⋅= 
35
22
02,0 HH nn && ⋅= 
 
Portanto, temos: 
 
h
nH 2
H kmol5,967
02,0
4,193
2
==& 
 
Realizando um balanço para H2 na unidade de separação, temos: 
543
222 HHH
nnn &&& += 
h
nH 2
H kmol15,9484
2
=& 
 
Realizando um balanço para H2 no ponto M, temos: 
412
222 HHH
nnn &&& += 
h
nH 2
H kmol15,13352
2
=& 
 
Assim, pode-se calcular a conversão no reator: 
 
2,1335
5,9672,1335
2
32
2
22 −=−=
H
HH
R n
nn
X &
&&
 Æ (27,5%) 275,0XR =