ENG030_Exercicios_Lista_02_Balanco_Material_Sistemas_com_Reacao.pdf

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Curso: Engenharia Química 
Disciplina: Processos Químicos – ENG030 
Professor: Paulo Roberto Britto Guimarães 
Lista de Exercícios No 02 
1. O antimônio pode ser obtido pela reação abaixo, onde Sb2S3 é a estibinita: Sb2S3 + 3Fe  2Sb + 3FeS 
Para massas iniciais de 0,6 kg de estibinita de 0,25 kg de ferro, produz-se 0,2 kg de Sb metálico. 
Responder: a) Qual o reagente limite? b) Qual a percentagem de reagente em excesso? c) Qual a fração de conversão 
da reação? e d) Qual o rendimento da reação em termos de kg Sb / kg Sb2S3? 
2. Sulfato de alumínio pode ser produzido reagindo-se bauxita com ácido sulfúrico, de acordo com a seguinte reação: 
Al2O3 + 3H2SO4  Al2(SO4)3 + 3H2O 
A bauxita contém 55,4% em peso de óxido de alumínio e o restante é de impurezas. O ácido sulfúrico tem 77,7% de 
pureza, o restante sendo água. Para produzir 1798 lb de sulfato de alumínio puro são utilizadas 1080 lb de bauxita e 
2510lb de solução de ácido sulfúrico. Nestas condições deseja-se saber: a) Qual o reagente limite?; e 
b) Qual a porcentagem do reagente em excesso que é consumida? 
3. Um certo calcário é composto de 92,89% de CaCO3, 5,41% de MgCO3 e o restante é de insolúveis. Deseja-se saber: a) 
Quantas libras de CaO podem ser obtidas a partir de 5 t de calcário? b) Quantas libras de CO2 podem ser recuperadas 
por libra de calcário? e c) Quantas libras de calcário são necessárias para produzir 1 t de cal, que é composto de CaO, 
MgO e insolúveis. 
4. Considere a reação de síntese da amônia: N2 + 3H2  2 NH3 
Se 110 kgmol de N2, 300 kgmol de H2 e 1 kgmol de Ar (argônio) são alimentados a um reator e a conversão da reação é 
60%, pede-se: a) Qual o reagente limite?; b) Qual a porcentagem do reagente em excesso que é consumida?; e c) 
Quais as quantidades de cada substância na saída do reator? 
5. A acrilonitrila é produzida a partir da reação do propileno, amônia e oxigênio: 
C3H6 + NH3 + 1,5 O2  C3H3N + 3 H2O 
A alimentação do reator contém 10% C3H6, 12% NH3 e 78% ar e consegue-se uma conversão de 30% do reagente 
limite. Para 100 kgmol da corrente de alimentação, determinar: a) O reagente limite; b) A percentagem em excesso 
dos demais reagentes; e c) As quantidades de cada composto presente no gás de saída. 
6. Considere as seguintes reações: A  2B (desejada) e A  C (indesejada) 
Supondo que a alimentação do reator contém 100 mol de A e que o produto final contém 10 mol de A, 160 mol de B e 
10 mol de C, pede-se calcular: a) A conversão de A; b) A produtividade de B em relação à alimentação de A; 
c) A seletividade de B em relação a C; e d) As extensões das duas reações. 
7. Em um processo de fabricação de cloro por oxidação direta do HCl com ar sobre um catalisador, para formar Cl2 e H2O, 
a corrente de saída é composta por 4,4% HCl, 19,8% Cl2, 19,8% H2O, 4,0% O2 e 52% N2. Pede-se determinar: a) O 
reagente limite; b) O percentual em excesso do outro reagente; e c) A conversão da reação. 
8. Considere um sistema reacional no qual ocorre uma reação do tipo A  B, no qual a carga fresca contém 75 mol de 
A e a carga combinada 100 mol de A. Na saída do reator há 25 mol de A e 75 mol de B e na saída do processo apenas 
B, sendo todo A reciclado para a entrada do reator. Esquematize o fluxograma do processo e calcule as conversões 
por passe e global. 
9. A corrosão em tubos de caldeiras pelo O2 pode ser reduzida através do uso de Na2SO3, que remove o O2 de acordo 
com a reação: 2Na2SO3 + O2  2Na2SO4 
Qual a quantidade de Na2SO3 necessária para conversão completa de 8,33 x 10
6 lb H2O, contendo 10 ppm de O2 
dissolvido, mantendo, ao mesmo tempo, um excesso de 35% de Na2SO3 ? 
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10. Em um reator para queima de CH4 ocorrem as seguintes reações: 
CH4 + 3/2 O2  CO + 2 H2O e CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O 
A alimentação do reator contém 7,8% CH4, 19,4% O2 e 72,8% N2. A conversão do CH4 é de 90% e o gás de saída 
contém 8 mol CO2 / mol CO. Pede-se: a) Desenhe o fluxograma do processo; b) Faça uma análise dos graus de 
liberdade do sistema; e c) Calcule a composição da corrente de saída utilizando balanços moleculares, balanços 
atômicos e as extensões das reações. 
11. Óxido de etileno pode ser produzido pela oxidação catalítica do etileno, de acordo com a seguinte reação: 
2C2H4 + O2  2C2H4O 
Para uma carga do reator de 180 kgmol, com um teor de 55,55% de etileno, pede-se: a) Determinar o reagente limite 
e o percentual em excesso do outro reagente; b) Calcular as quantidades de reagentes e produto na saída para uma 
conversão de 50%; e c) Calcular a conversão e as quantidades de etileno e óxido de etileno se 50 kgmol de O2 
estiverem presentes na saída. 
12. Quantas libras de O2 são necessárias para queimar 10 lb de benzeno (C6H6) para produzir CO2 e H2O? 
13. A composição química de um material produzido através da degradação do hexadecano (C16H34) pode ser escrita na 
forma: C4,4H7,3N0,86O1,2. Calcule quantos moles de O2 são necessários para degradar 1 mol de hexadecano de acordo 
com a reação a seguir, na qual a, b, c e d são constantes a serem determinadas. 
C16H34 + a O2 + b NH3  C4,4H7,3N0,86O1,2 + c CO2 + d H2O 
14. A remoção de CO2 de uma espaçonave tripulada pode ser feita por absorção com hidróxido de lítio, de acordo com a 
seguinte reação: 2LiOH (s) + CO2 (g)  LiCO3 (s) + H2O (l). Pede-se: a) Quantos kg de LiOH serão necessários por 
pessoa por dia, se 1,0 kg de CO2 for liberado por dia por pessoa?; e b) Qual será a penalização (aumento percentual) 
do peso se usar-se o NaOH, que é mais barato, em lugar do LiOH? 
15. A queima de calcário, dada pela reação abaixo, ocorre com 70% de conversão em um certo forno industrial: 
CaCO3  CaO + CO2 
Pede-se: a) Qual a composição do sólido retirado do forno?; e b) Supondo que o calcário seja CaCO3 puro, quantos 
kg de CO2 são produzidos por kg de calcário queimado? 
16. Considere a seguinte reação: AgNO3 + NaCl  AgCl + NaNO3. Pede-se: a) Quantas gramas de AgNO3 são 
necessárias para reagir com 5,0 g de NaCl?; b) Quantas gramas de AgNO3 são necessárias para precipitar 5,0 g de 
AgCl?; e c) Quantas gramas de NaCl são equivalentes a 5,0 g de NaNO3? 
17. O processo Deacon converte HCl gasoso a Cl2 de acordo com a equação: 4HCl + O2  2Cl2 + 2H2O 
Volumes iguais de HCl e ar são alimentados ao reator. O produto (gasoso) é lavado com água para remover o HCl não 
reagido e passa por um secador, após o qual contém 2,0%vol de O2. Calcule a conversão de HCl no reator. 
18. A glicose isomerase imobilizada é usada como catalisador na produção de frutose a partir da glicose, num reator de 
leito fixo, que utiliza água como solvente. Calcular a conversão por passe, para uma carga fresca de glicose e água a 
40%, sabendo-se ainda que a carga combinada (carga fresca + reciclo) contém 4% de frutose e que a razão entre as 
correntes de produto e reciclo é igual a 8,33. 
19. Etanol é produzido por hidratação catalítica de etileno de acordo com a reação: C2H4 + H2O  C2H5OH 
O etanol produzido e o vapor não reagido são condensados. O restante dos gases é parte reciclada para o reator e 
parte purgada para manter a concentração de metano abaixo do nível crítico. O metano entra no sistema junto com o 
etileno à razão de 3 moles para cada 100 moles de etileno. A razão molar vapor/etileno necessária na entrada do 
reator é de 60/100. Se a conversão de etileno para etanol no reator é de 4%, e a razão molar de metano para etileno 
no gás reciclado é de 20/100, calcular com base em 100 moles de etileno alimentado: a) a produtividade em termos 
de etanol; b) o vapor adicionado ao reator; e c) a concentração de metano na entrada do reator.Curso: Engenharia Química 
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20. Em um processo de produção de etanol hidratado por hidrólise de etileno, este gás e o vapor d’água presentes no gás 
de carga contêm 1,0 % de gases inertes. Antes de entrar no reator o gás de carga é misturado com uma corrente de 
gás de reciclo, obtido após separação do etanol hidratado, com uma razão reciclo/carga fresca de 2,5, em massa. 
O gás efluente do reator vai para um separador, onde o etanol hidratado é removido e o gás restante é dividido em 
duas correntes: uma de reciclo e outra de purga. Desenhe o fluxograma do processo e calcule a razão purga/reciclo 
necessária para que o teor de inertes na entrada do reator não ultrapasse 2,5%w. 
21. Amônia é sintetizada a partir de uma mistura de N2 e H2, em proporções estequiométricas, e que contém 2% de Ar 
(argônio). O gás que sai do conversor é lavado com água e a amônia é removida da solução. O gás não convertido é 
em parte reciclado para o reator e em parte purgado para evitar o acúmulo de Ar no sistema. A conversão no reator é 
de 12% e a produtividade é de 80%. Calcular a quantidade de reciclo por 100 kgmol de carga fresca entrando no 
sistema, e a composição e vazão da purga. 
22. Num processo industrial de produção de acetato de etila, 1000 lb/h de etanol e 1500 lb/h de ácido acético são 
alimentados como matéria prima. O álcool é convertido de acordo com a reação: 
CH3COOH + C2H5OH  CH3COOC2H5 + H2O 
Benzeno é usado para extrair o álcool não reagido e forma uma corrente com a seguinte composição molar: 
C6H6: 53,9%; C2H5OH: 22,8%; H2O: 23,3%. A outra corrente de produto contém acetato de etila, ácido acético e água. 
Se 233 lb/h de água são removidos desta corrente, calcular: a) a conversão percentual de etanol em acetato de etila; 
e b) a quantidade de benzeno usada. 
23. Acetileno é produzido pela ação de água sobre carbonato de cálcio de acordo com: 
CaC2 + 2H2O  Ca(OH)2 + C2H2 
Uma alimentação sólida com 95%wt de CaC2 é tratada com 25 vezes a quantidade de água requerida 
estequiometricamente, de modo que o produto sai do reator na forma de solução. Uma quantidade igual a 3%peso do 
CaC2 passa pela planta sem reagir. Se 100000 ft
3/h de acetileno seco são produzidos a 1 atmosfera e 60oF, calcular: 
(a) a taxa de alimentação da matéria prima sólida; e (b) a concentração de Ca(OH)2 na solução que deixa o reator. 
24. Fósforo é produzido através do aquecimento de uma mistura de fosfato de cálcio, areia e coque. As reações 
envolvidas são: Ca3(PO4)2 + 3 SiO2  3 CaSiO3 + P2O5 e P2O5 + 5 C  5 CO + 2 P 
Em uma determinada carga são usadas as seguintes quantidades em excesso em relação à necessidade 
estequiométrica: 10% de areia e 40% de coque. Calcular: a) A composição mássica da carga; e b) A massa de fósforo 
obtida por 100 kg de carga, assumindo-se que a decomposição do fosfato por areia é de 90% e que somente 70% do 
pentóxido de fósforo é reduzido pelo coque. 
25. Ácido acético é produzido pela adição de ácido sulfúrico a acetato de cálcio de acordo com a equação: 
Ca2(CH3COO)2 + H2SO4  CaSO4 + 2 CH3COOH 
Ácido sulfúrico é adicionado com 10% em excesso e a reação tem conversão de 90%. O ácido acético e o acetato de 
cálcio não reagido são separados dos outros produtos, de modo que, do separador, saem três correntes. A corrente 
de acetato de cálcio puro é reciclada para o reator, sendo adicionada à corrente de carga fresca de acetato de cálcio 
que tem vazão de 1000 kg/h. Calcular a quantidade produzida de ácido acético, a vazão de reciclo e a quantidade de 
ácido sulfúrico alimentado. 
26. Metanol é produzido pela reação do CO2 com o H2: CO2 + 3H2  CH3OH + H2O 
A carga fresca do processo contém H2, CO2 e 0,4%mol de inertes (I). A corrente efluente do reator passa por um 
condensador que separa todo o metanol e água formados dos reagentes e inertes. Estes dois últimos são reciclados 
para o reator. Para evitar acúmulo de inertes no sistema, faz-se uma purga de uma parte do reciclo. A alimentação do 
reator (carga fresca + reciclo) contém 28,0%mol CO2, 70,0%mol H2 e 2,0%mol I. A conversão do H2 é de 60% por passe 
no reator. Para uma produção de 155 kgmol/h de metanol calcule as vazões molares e as composições da carga 
fresca, da alimentação do reator, do reciclo e da purga. 
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27. O processo Deacon pode ser revertido para produzir ácido clorídrico através da remoção do O2 formado usando 
coque quente, de acordo com a reação: 2Cl2 + 2H2O + C  4HCl + CO2 
Cloro gasoso (90%vol Cl2 e 10%vol ar) é misturado com vapor (50% em excesso) e passa sobre um leito de coque 
aquecido a 900oC. A conversão do Cl2 em HCl é de 80%. Todo o oxigênio do ar reage com o coque para formar CO2. 
Calcular a composição dos gases que saem do conversor (base volumétrica). 
28. A conversão de CO a CO2 é dada por: CO + H2O  CO2 + H2 
Esta reação atinge o equilíbrio a uma dada temperatura e as frações molares dos compostos presentes na reação são 
dadas pela equação:
OHCO
HCO
yy
yy
TK
2
22)( 
, na qual K(T) é a constante de equilíbrio, cujo valor, para T = 1105 K, é 1,00. 
Supondo que a alimentação do reator contém 10 mol de CO e 2 mol de H2O e que a reação atinge o equilíbrio a 1105 
K, pede-se calcular: a) A composição de equilíbrio da mistura; e b) A conversão da reação. 
29. Um gás de chaminé contém 60% N2, 15% CO2 10% O2 e 15% H2O. Calcular a composição do gás em base seca. 
30. Cem mol/h de butano e 5000 mol/h de ar são alimentados a uma câmara de combustão. Calcular a porcentagem em 
excesso de O2. 
31. Um hidrocarboneto (HC) é queimado com ar e a análise d’Orsat dos gases de combustão resulta em 1,5% CO, 
6,0% CO2, 8,2% O2 e 84,3% N2. O combustível não contém O2. Calcular a razão H/C do combustível e o excesso de ar 
utilizado. 
32. Um óleo combustível obtido a partir de um petróleo ATS é queimado em um forno industrial, usando 30% excesso de 
ar. A análise elementar (base mássica) do combustível indicou: 85,5% C, 9,7% H e 4,8% S. Calcular a composição dos 
gases de chaminé em base úmida e base seca, considerando a combustão completa do óleo. 
33. Devido às variações nos preços dos combustíveis 
uma empresa opera com dois fornos, um 
queimando gás natural e outro óleo combustível, 
de acordo a com a figura a seguir. Em virtude de 
uma interrupção temporária no fornecimento de 
óleo combustível a empresa passou a utilizar a 
vazão máxima possível de gás natural, dispondo 
ainda de um estoque de 560 bbl de óleo, com peso 
molecular de 7,91 lb/lbmol e massa específica de 
7,578 lb/gal. Considerando-se que a carga de 
aquecimento mínima necessária pode ser expressa 
em termos de gás de chaminé e é igual a 
6205 lbmol/h, determine quanto tempo a empresa 
pode operar até a chegada de uma nova carga de 
óleo e quanto gás natural será consumido até lá. 
34. O CO2 é produzido na combustão do n-heptano. Deseja-se produzir 500 kg/h de gelo seco. Todavia, apenas 50% do 
CO2 produzido podem ser convertidos a gelo seco. Deste modo, qual a massa de n-heptano que deve ser queimada 
por hora? 
35. Um óleo combustível é queimado em um forno gerando um gás de combustão com a seguinte análise d’Orsat: 
CO2 13,2%; O2 3,6%; CO 0,4%. Calcular: a) % excesso de ar; b) as razões mássicas ar/óleo e gases de combustão/óleo; 
e c) a composição do óleo. 
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36. Minério de zinco contendo 80% de ZnS e 20% de inertes é queimado numa fornalha contendo 50% de ar em excesso. 
O sulfeto de zinco é convertido em óxido de zinco de acordo com a reação: 
2 ZnS + 3 O2  2 ZnO + 2 SO2O óxido de zinco é então misturado com coque (95% C e 5% de inertes em peso), numa segunda unidade onde o óxido 
de zinco é reduzido ao metal de acordo com a reação: ZnO + C  Zn + CO 
Com base em 1 tonelada de minério de Zinco alimentado à fornalha, calcular: a) a composição dos gases deixando a 
fornalha (base volumétrica); b) a produtividade de zinco metálico; e c) a quantidade de coque consumido. 
37. Calcular a composição dos gases de combustão para cada um dos casos a seguir, nos quais Carbono puro é queimado: 
a) com combustão completa usando ar teórico; b) com combustão completa usando 50% de ar em excesso; e 
c) usando 50% de ar em excesso e combustão incompleta de 10% do carbono. 
38. Um gás de refinaria tem a seguinte composição volumétrica: CO2:9,2%; C2H4 :0,4%; CO: 20,9%; H2: 15,6%; 
CH4: 1,9% e N2: 52,0%. Este gás é queimado com ar numa fornalha, obtendo-se a seguinte composição volumétrica 
para os gases de combustão: CO2: 10,5%; CO: 0,5%; O2: 9,45%; e N2: 79,9%. Calcular: a) a quantidade de ar 
alimentado por kgmol de gás queimado para ambos na mesma temperatura e pressão; e b) a percentagem de ar em 
excesso. 
39. Gás natural com a seguinte composição volumétrica: CH4: 78%; C2H6: 14%; CO2: 1% e N2: 7%, é queimado com 
suprimento de ar restrito, produzindo um gás de combustão com a seguinte composição: H2O: 21,60%, CO: 9,07%, 
CO2: 2,38% e N2:66,95%. Calcular: a) a quantidade de fuligem (C) produzida por kgmol de gás natural queimado; e 
(b) a quantidade de ar alimentada, expressa como uma percentagem da quantidade requerida (estequiométrica).