AULA 5 - Balanço de Massas Com Reação Química

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Princípios de Processos Químicos
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Princípios de Processos Químicos
BALANÇO DE MASSAS COM 
REAÇÃO QUÍMICA
Prof. Dr. Demian P. Fabiano
Balanço de Massas Com Reação Química
O estudo das reações químicas nos processos é o
que difere o engenheiro químico dos outros engenheiros.
A ocorrência de reação químicas nos processos
traz algumas complicações para o balanço de massa
descrito anteriormente.
O balanço de massa sobre a sustância que reage
não tem a forma E=S, mas inclui os termos de G e C.
Equação Geral do Balanço de Massas
Reator 
Químico
Massa 
ENTRA Massa 
GERADA 
Massa 
SAI
Massa 
CONSUMIDA
Massa 
ACUMULADA
≠
Balanço de Massas Com Reação Química
Revisão da Terminologia
a) Estequiometria: é a relação aritmética entre as
quantidades gerada de produtos e as quantidade
consumidas de reagente, assim, as equações
químicas devem estar balanceadas
Exemplo:
CH4 + O2 → CO2 + H2O1 12 2
νCH4 = -1 νO2 = -2 νCO2 = 1 νH2O = 2 
* Os coeficientes estequiométricos têm unidades em mols.
Balanço de Massas Com Reação Química
Revisão da Terminologia
b) Razão estequiométrica: é a razão entre os
coeficientes estequiométricas de duas espécies
moleculares participantes da reação.
CH4 + O2 → CO2 + H2O1 12 2
Exemplo:
2 mols H2O é gerado
1 mol de CH4 consumido
2 lbmol O2 é consumido
1 lbmol de CO2 gerado
Balanço de Massas Com Reação Química
Revisão da Terminologia
c) reagente limitante ou em excesso: se os reagentes
que alimentam um reator químico estão em
proporções estequiométricas e a reação é completa,
então todos reagentes são consumidos.
2 SO2 + O2 → 2 SO3
Exemplo:
Para que a reação seja completa são necessários 
quantos mols de O2?
200 mols 100 mols
Balanço de Massas Com Reação Química
Revisão da Terminologia
c) reagente limitante ou em excesso: se os reagentes
que alimentam um reator químico estão em
proporções estequiométricas e a reação é completa,
então todos reagentes são consumidos.
2 SO2 + O2 → 2 SO3
Exemplo:
Restará ainda 50 mols 
(Reagente em excesso)
100 mols 100 mols
Será totalmente consumido
(Reagente Limitante)
Presente em quantidade menor que a 
estequiométrica
No início:
Balanço de Massas Com Reação Química
Revisão da Terminologia
c) reagente limitante ou em excesso
2 SO2 + O2 → 2 SO3
Exemplo:
100 mols 100 molsNo início:
Balanço de Massas Com Reação Química
Revisão da Terminologia
d) Conversão fracional de um reagente:
Exemplo:
Se 100 moles de um reagente é fornecido e 90 moles
reagem, f = 0,90 (a porcentagem de conversão é 90%)
e a fração não reagida é de 10% (1-f = 10%).
Balanço de Massas Com Reação Química
Revisão da Terminologia
e) Extensão da reação (ε):
N2 + 3 H2 → 2 NH3
Exemplo:
A alimentação do reator é de 100 mol/s de N2 e 300
mol/s H2 e 1 mol/s de argônio (Ar) inerte.
Se a conversão fracional de H2 é 0,6
(a) Calcule a vazão de saída de H2;
(b) Calcule a extensão da reação;
(c) Calcule as vazões de saída de N2 e NH3.
Balanço de Massas Com Reação Química
Revisão da Terminologia
Exemplo:
(a) Calcule a vazão de saída de H2;
Moles reagidos = 0,6.300 = 180 mol/s
Portanto, sairá sem reagir = 300 – 180 = 120 mol/s
Balanço de Massas Com Reação Química
Revisão da Terminologia
e) Extensão da reação (ε):
N2 + 3 H2 → 2 NH3
Exemplo: A alimentação do reator é de 100 mol/s de N2 e 300
mol/s H2 e 1 mol/s de argônio (Ar) inerte.
Início
Reage/forma
No equilíbrio
Ar
100 300 0 1
0
1
Generalizando
Balanço de Massas Com Reação Química
Revisão da Terminologia
e) Extensão da reação (ε):
Exemplo:
Moles reagidos = 0,6.300 = 180 mol/s
Portanto, sairá sem reagir = 300 – 180 = 120 mol/s
(b) Calcule a extensão da reação;
Para o H2:
Balanço de Massas Com Reação Química
Revisão da Terminologia
e) Extensão da reação (ε):
Exemplo:
(c) Calcule as vazões de saída de N2 e NH3. 
Balanço de Massas Com Reação Química
Revisão da Terminologia
e) Equilíbrio Químico
Dado um conjunto de espécies reativas e as
condições das reações, o engenheiro químico dever
responder as seguintes perguntas:
i) Qual a composição final da mistura reacional?
- Termodinâmica do equilíbrio
ii) Quanto tempo o sistema levará para atingir o
equilíbrio?
- Cinética química
Balanço de Massas Com Reação Química
Revisão da Terminologia
g) Rendimento e seletividade: são usados para
descrever o grau em que uma espécie é formada
em relação à outras.
Balanço de Massas Com Reação Química
Exemplo:
A + C → 2 D
O reator é contínuo e opera em estado estacionário, para
produzir B como produto desejado. A conversão fracional de A é 0,501 e
o rendimento fracional de B é de 0,471.
(a) Qual é a composição molar da mistura que sai do reator?
(b) Qual a seletividade de B em relação a C?
(c) Qual a seletividade de B em relação a D?
A → B + C
Reator 
Químico
100 mol
0,85 mol A/ mol
0,15 mol Inerte/mol
Balanço de Massas Com Reação Química
Procedimentos de cálculos
A resolução dos cálculos para os balanços de
massas que envolvem reação química podem ser
realizados de 3 formas:
1. Utilizando a Extensão de Reação;
2. Utilizando o Balanço de Massas para Espécies
Moleculares;
3. Utilizando o Balanço de Massas para Espécies
Atômica.
Balanço de Massas Com Reação Química
1. Resolução de BM com usando a Extensão de Reação
– Cálculo do Grau de Liberdade (GL):
Número de Incógnitas;
+ Número de reações (uma extensão para cada reação)
- Número de espécies reativas e não reativas (inertes)
- Número de outras equações que relacionam as incógnitas.
= GL
Balanço de Massas Com Reação Química
1. Resolução de BM com usando a Extensão de Reação
Exemplo: Desidrogenação do Etano
C2H6 → C2H4 + H2
Reator 
Químico
100 kmol C2H6/min
40 kmol H2/min
kmol C2H4/min
kmol C2H6/min
Balanço de Massas Com Reação Química
2. Resolução de BM para Espécies Moleculares
No balanço para espécies moleculares deverá
conter o termo de G e C .
– Cálculo do Grau de Liberdade (GL):
Número de Incógnitas;
+ Número de reações químicas
- Número de espécies moleculares
- Número de outras equações que relacionam as incógnitas
= GL
Balanço de Massas Com Reação Química
2. Resolução de BM para Espécies Moleculares
Exemplo: Desidrogenação do Etano
C2H6 → C2H4 + H2
Reator 
Químico
100 kmol C2H6/min
40 kmol H2/min
kmol C2H4/min
kmol C2H6/min
Balanço de Massas Com Reação Química
3. Resolução de BM para Espécies Atômica
– Todos os balanços para as espécies atômicas (C, H, O,
etc) tem a forma E=S (pois os átomos não podem ser
criados e nem destruídos, exceto em reações nucleares).
– Cálculo do Grau de Liberdade (GL):
Número de Incógnitas;
- Número de espécies atômicas
- Número de espécies moleculares não reativas (inertes)
- Número de outras equações que relacionam as incógnitas
= GL
Balanço de Massas Com Reação Química
3. Resolução de BM para Espécies Atômica
Exemplo: Desidrogenação do Etano
C2H6 → C2H4 + H2
Reator 
Químico
100 kmol C2H6/min
40 kmol H2/min
kmol C2H4/min
kmol C2H6/min
Balanço de Massas Com Reação Química
Qual dos três métodos de resolução utilizar???
- O BMpara espécies atômicas levam a soluções mais
diretas, especialmente quando ocorre mais de uma
reação;
- O BM para espécies moleculares requer cálculos
mais complexos que os outros dois, deve ser usado
para sistema com apenas 1 reação;
- As extensões de reação são convenientes para
problemas de equilíbrio químico.
Balanço de Massas Com Reação Química
Separação de Produtos e Reciclo
REATOR
SEPARADO
R
A
70 kg/h
A‘
30 kg/h
A + A’
100 kg/h A’ + B
30 kg/h + 70 kg/h
B
70 kg/h
Conversão do Processo: é 100% de A em B.
Conversão do Reator: é 70% de A em B.
A‘
30 kg/h
Reação: A→B
Balanço de Massas Com Reação Química
Separação de Produtos e Reciclo
= 70 – 0 .100 = 100%
70
REATOR
SEPARADO
R
A
70 kg/h
A‘
30 kg/h
A + A’
100 kg/h A’ + B
30 kg/h + 70 kg/h
B
70 kg/h
A‘
30 kg/h
Reação: A→B
Balanço de Massas Com Reação Química
Separação de Produtos e Reciclo
= 100 – 30 .100 = 70%
100
REATOR
SEPARADO
R
A
70 kg/h
A‘
30 kg/h
A + A’
100 kg/h A’ + B
30 kg/h + 70 kg/h
B
70 kg/h
A‘
30 kg/h
Reação: A→B
Balanço de Massas Com Reação Química
Exemplo:
– O processo precisa ter uma conversão de 95% do propano;
– A corrente de produtos do processo contém: H2, C3H6 e 0,555% do C3H8
que deixa o reator;
– A corrente de reciclo contém: o resto de C3H8 não reagido e 5% do C3H6
da corrente de produto do processo.
a) Calcule a composição do produto;
b) Calcule a razão moles reciclados/ moles alimentados (virgem);
c) Calcule a conversão do reator.
REATOR SEPARADOR
Alimentação virgem 
100 mol de C3H8
C3H8 → C3H6 + H2
n1 (mol de C3H8)
n2 (mol de C3H6)
n9 (mol de C3H8)
n10 (mol de C3H6)
n3 (mol de C3H8)
n4 (mol de C3H6)
n5(mol de H2)
n6 (mol de C3H8)
n7 (mol de C3H6)
n8(mol de H2)
Balanço de Massas Com Reação Química
Sugestão para resolução do exemplo:
Para subsistemas onde ocorrem reações químicas (processo global e no
reator) usar o balanço para espécies atômica.
Para Subsistemas não reativos (Ponto de Mistura, Separador) usar
balanço para espécies moleculares.
Balanço de Massas Com Reação Química
REAÇÃO DE COMBUSTÃO
É uma importante reação industrial para geração de
energia, que pode ser usada para produzir vapor para
mover turbinas e gerar energia elétrica.
Os gases da combustão CO, CO2, SO2, H2O, NO.
Exemplo: queima do carvão, óleo, gás natural, gasolina, diesel,
querosene, sendo que a maioria dos processos utiliza o ar
como fonte de oxigênio.
*Lembrando que para o nosso cálculo o ar é uma mistura de
79% de nitrogênio e 21% de oxigênio com massa molecular
média de 29 g/mol.
Balanço de Massas Com Reação Química
REAÇÃO DE COMBUSTÃO
Termos utilizados
a) composição em base úmida - são os gases resultantes da combustão
(gás de chaminé ou gás de combustão) que contém vapor d'água.
b) composição em base seca - são os gases resultantes da combustão,
sem água (análise ORSAT).
Exemplo: 
Gás (base úmida)
33,3 % CO2;
33,3 % N2;
33,3 % H2O;
Gás (base seca)
50,0 % CO2;
50,0 % N2;
Balanço de Massas Com Reação Química
REAÇÃO DE COMBUSTÃO
Termos utilizados
c) combustão completa - reação completa do combustível que
produz CO2, SO2 e H2O.
d) combustão parcial - produz CO (liberando menor quantidade
de energia).
e) Ar teórico/ O2 teórico - quantidade mínima de ar (ou O2) 
necessário para a combustão completa. 
Balanço de Massas Com Reação Química
REAÇÃO DE COMBUSTÃO
Termos utilizados
f) Ar em excesso - quantidade de ar acima da quantidade teórica.
Balanço de Massas Com Reação Química
REAÇÃO DE COMBUSTÃO
Exemplo:
- 100 mol/h butano (C4H10);
- 5000 mol/h ar;
São fornecidos em um reator a combustão.
Calcule a porcentagem de ar em excesso
Balanço de Massas Com Reação Química
Balanço de Massas em Reator de Combustão
O procedimento para resolver balanço de massa em um reator de
combustão é o mesmo para qualquer outro sistema reativo. No entanto deve-
se fazer atenção a:
i) Se o gás de chaminé inclui combustível ou oxigênio não-reagido; água; CO,
CO2 e N2.
ii) Calcular o O2 teórico para combustão completa, a partir da estequiometria
da reação e a vazão de alimentação de combustível.
iii) Se há apenas uma reação, os três métodos (balanço de espécies
moleculares, espécies atômicas e extensão da reação) são convenientes. Se
várias reações ocorrem simultaneamente os balanços atômicos são mais
convenientes.
Balanço de Massas Com Reação Química
REAÇÃO DE COMBUSTÃO
Exemplo:
- O etano é queimado com 50% em excesso de ar;
- A conversão do etano é de 90%;
- Do etano queimado 25% reage para formar CO e o resto
para formar CO2.
a) Calcule a composição molar do gás de chaminé em base
seca.
b) Calcule a razão molar da água para o gás de chaminé seco.
Balanço de Massas Com Reação Química
REAÇÃO DE COMBUSTÃO
Exemplo:
O acetileno (C2H2) é utilizado como combustível em maçarico, por fornecer 
na sua queima grande quantidade de energia. 
a) Escreva as reações balanceadas da combustão completa e da combustão 
parcial desse combustível. 
Suponha que o acetileno seja queimado com 50 % de excesso de ar, 
30% do acetileno reage para formar CO e o restante para formar CO2. 
b) Qual a razão molar ar/acetileno utilizada?
c) Calcule a composição percentual do gás gerado pela queima do acetileno.
d) Qual seria o resultado percentual da análise Orsat (base seca) do gás 
efluente desse processo?