Lista de Exercícios num 3 - PROCESSOS

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CENTRO UNIVERSITÁRIO NEWTON PAIVA 
ENGENHARIA QUÍMICA – PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS 
3ª LISTA DE EXERCÍCIOS – BALANÇO DE MASSA COM REAÇÕES QUÍMICAS 
 
Conceitos Fundamentais 
 
1) O fosgênio gasoso (COCl2) foi o primeiro produto tóxico gasoso a ser 
empregado como arma de ataque durante a Primeira Guerra Mundial, mas 
também é um produto usado intensivamente em processos químicos de uma 
grande variedade de materiais. O fosgênio pode ser produzido pela reação 
catalítica entre o CO e o gás cloro na presença de um catalisador de carbono. A 
reação química é: 
 
CO + Cl2 → COCl2 
 
Suponha que você tenha medido os produtos de reação e verificou que os 
produtos contêm 3,0 lbmol de cloro, 10,0 lbmol de fosgênio e 7,0 lbmol de CO. 
Calcule a extensão de reação e, usando o valor calculado, determine as 
quantidades iniciais de CO e Cl2 que foram usadas na reação. 
 
2) O FeS pode ser calcinado com O2 para formar o FeO: 
 
2 FeS + 3 O2 → 2 FeO + 2 SO2 
 
Se a escória (produto sólido) contém em massa 80% de FeO e 20% de FeS e se 
o gás de exaustão contém 100% de SO2, determine a extensão da reação e o 
número inicial de moles de FeS, utilizando 100 kg de sulfeto de ferro como base. 
 
Massas molares: 
FeS – 87,8 kg/kmol; SO2 – 64 kg/kmol; FeO – 71,8 kg/kmol; O2 – 32 g/mol 
 
Sugestão: converta a base de cálculo para 100 kg de qualquer um dos produtos 
e na sequência refaça os cálculos para 100 kg de FeS alimentado, utilizando 
regras de três. 
 
3) Um método comum usado na manufatura de hipoclorito de sódio é a reação de 
cloro gasoso com hidróxido de sódio: 
 
Cl2 + 2 NaOH → NaCl + NaOCl + H2O 
 
O gás cloro é borbulhado através da solução aquosa de NaOH; em seguida, o 
produto desejado é separado da solução de cloreto de sódio. Uma solução 
aquosa de NaOH, que contém 1145 g de NaOH puro reage com 851 g de cloro 
gasoso. A massa de NaOCl formado é 618 g. 
 
a) Qual foi o reagente limitante? 
b) Qual foi o reagente em excesso e qual foi a sua porcentagem em excesso? 
c) Qual foi a conversão fracional do reagente limitante? 
d) Qual foi a extensão de reação? 
 
 
Os balanços com reações químicas 
 
1) Metano e oxigênio reagem na presença de um catalisador para formar 
formaldeído. Em uma reação paralela, o metano é oxidado para formar dióxido 
de carbono e água. 
 
CH4 + O2 → H-CHO + H2O 
 
CH4 + 2 O2 → CO2 + H2O 
 
A alimentação do reator contém quantidades equimolares de metano e oxigênio. 
Assuma uma base de cálculo de 100 mol alimentação/s. 
 
a) Construa o fluxograma do processo. 
b) Escreva as equações para as quantidades finais de produtos na saída do reator 
em termos das extensões de reação ξ1 e ξ2. 
c) Se a conversão fracional de metano é 0,9 e o rendimento fracional do 
formaldeído é de 0,855, calcule a composição molar da corrente de saída do 
reator em termos das frações molares e a seletividade do formaldeído em 
relação ao CO2. 
 
2) Um reator catalítico é usado para produzir formaldeído a partir de metanol de 
acordo com a reação: 
CH3OH → HCHO + H2 
 
Uma conversão de passe único de 60% é atingida no reator. O metanol na 
corrente de produtos é separado do formaldeído e do hidrogênio em uma 
unidade de separação. A taxa de produção de formaldeído é de 900 kg/h. 
 
a) Calcule a quantidade necessária de metanol para o processo em kmol/h se não 
há reciclo. 
b) Suponha que o metanol recuperado seja reciclado para o reator e a conversão 
de passe único permaneça em 60%. Quanto valem a alimentação fresca de 
metanol em kmol/h e as taxas de metanol que entram e saem do reator em 
kmol/h? 
c) A conversão de passe único no reator, Xpu, afeta os custos do reator, Cr e 
também da unidade de separação, Csep e da linha de reciclo, Crec. Qual seria o 
efeito nas três variáveis mencionadas de um aumento de Xpu para uma taxa fixa 
de produção de formaldeído? Esboce o gráfico dos custos Crec + Csep vs Xpu. O 
que representa a especificação de Xpu = 60%? 
 
3) O butano é queimado com ar e nenhum monóxido de carbono é formado nos 
produtos. 
a) Calcule a composição molar dos produtos nos quatro casos seguintes: i) ar 
teórico é utilizado; ii) 20% de excesso de ar são utilizados e tem-se 100% de 
conversão de iso-butano; iii) 20% de excesso de ar, com 90% de conversão de 
butano. 
b) Você acha a hipótese de não haver monóxido de carbono nos produtos plausível 
se for utilizada uma mistura com 28,56 mols de ar por mol de butano? Justifique 
sua resposta. 
 
4) Na combustão subterrânea do carvão em fase gasosa, várias reações químicas 
ocorrem, incluindo 
CO + ½ O2 → CO2 
 
H2 + ½ O2 → H2O 
 
CH4 + 3/2 O2 → CO + 2 H2O 
 
Em que CO, H2 e CH4 originam-se da pirólise do carvão. 
Se uma fase gasosa contendo 13,54% de CO, 15,22% de CO2, 15,01% de H2, 3,2% de 
CH4 e o fechamento do balanço feito pelo N2 (em mol) for queimada com 40% de 
excesso de ar: a) qual a quantidade de ar que seria necessária para a queima de 100 
mols de gás?; b) qual seria a análise do produto gasoso em base úmida, em % 
mássicos? Admita que a umidade relativa do ar no local vale 18%, a temperatura é de 
40 ºC e a pressão local é de 0,9 atm. 
 
5) O ácido nítrico pode ser produzido a partir da amônia com o ar, segundo a 
seguinte reação global: 
 
NH3 + 2 O2 → HNO3 + H2O 
 
O produto gasoso do reator apresenta a seguinte composição em base seca: 0,8% de 
NH3, 9,5% de HNO3, 3,8% de O2 e 85,9% de N2. Calcule a conversão percentual do 
NH3 e a porcentagem de ar utilizado em excesso. Qual a composição em base úmida 
do produto de exaustão? Considere a fração molar de água de 0,7 mol H2O/mol de 
produto de exaustão. Qual a umidade relativa para uma temperatura de 35 ºC e 
pressão local de 1 atm? 
 
6) No processo mostrado na figura abaixo, Na2CO3 é produzido pela reação 
 
Na2S + CaCO3 → Na2CO3 + CaS 
 
 
A conversão de passe único é 90% e o CaCO3 que entra no reator está com 50% de 
excesso. Calcule: 
 
a) Libras de Na2S recicladas; 
b) Libras de solução de Na2CO3 formadas por hora. 
 
Respostas: 
 
1ª Parte – Conceitos Fundamentais 
 
1) Quantidades iniciais: CO - 17 lbmol; Cl2 - 13 lbmol 
 
2) ξ = 1,042 kmol; n(FeS, alim) = 2,509 kmols. 
 
3) a) Limitante: Cl2 
b) % Excesso = 19,4%; 
c) Conversão Fracional = 69,2%; 
d) 8,295 mols.