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UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA 
 
GNE328 – Conservação de Massa e Energia 
Lista de exercícios – Balanço material em processos químicos 
Prof. Nathan Sombra Evangelista 
 
1) (Felder, p. 177, q. 52) O acetileno é hidrogenado para formar etano. A alimentação do reator 
contém 1,50 mol H2/mol C2H2. Com base no exposto: 
a) Calcule a razão estequiométrica de reagente (mols de H2 que reagem/mol C2H2 que reage). 
R: 2:1. 
b) Determine o reagente limitante e calcule a percentagem pela qual o outro reagente está em 
excesso. R: H2 é o limitante; %Excesso de C2H2 = 33,3%. 
c) Calcule a vazão mássica de alimentação de hidrogênio (kg/s) necessária para produzir 4 ×106 
toneladas métricas de etano por ano, admitindo que a reação seja completa e que o processo 
opere 24 horas por dia, 300 dias por ano. R: 20,6 kg/s. 
d) Existe uma desvantagem muito séria ao operar o processo com um reagente em excesso em 
vez de alimentar os reagentes na proporção estequiométrica. Qual é? (Dica: No processo da 
parte c), em que consiste o efluente do reator e o que provavelmente deverá ser feito antes que 
o etano produzido possa ser vendido ou usado?) R: Resposta por conta do (a) discente. 
2) (Felder, p. 179, q. 56) A reação entre etileno e brometo de hidrogênio para formar brometo de 
etila é conduzida em um reator contínuo. A corrente de produto é analisada, contendo 51,7% 
molar de C2H5Br e 17,3% de HBr. A alimentação do reator contém apenas etileno e brometo de 
hidrogênio. Calcule a conversão fracional do reagente limitante e a percentagem pela qual o outro 
reagente está em excesso. Se a vazão molar da corrente de alimentação é 165 mol/s, qual é a 
extensão da reação? R: fHBr = 0,749; %Excesso de C2H4 = 19,8%; 𝜀 = 56,2. 
3) (Nilo, p. 188, q. 31) Uma mistura gasosa ar-benzeno borbulha em batelada através de uma solução 
ácida contendo (em base mássica) 51,8% de H2SO4, 40,0% de HNO3 e 8,2% de H2O, onde todo 
o benzeno é consumido de acordo com a reação: 
C6H6 + HNO3 → C6H5NO2 + H2O 
O nitrobenzeno produzido é insolúvel na solução e a água formada é absorvida pela solução. Após 
o término da batelada, o teor mássico de H2SO4 na solução é 58,1%. Calcule a fração de HNO3 
consumido. R: 37,95%. 
4) (Felder, p. 183, q. 67) O metano e o oxigênio reagem na presença de um catalisador para formar 
formaldeído. Em uma reação paralela, parte do metano é oxidada a dióxido de carbono e água: 
CH4 + O2 → HCHO + H2O 
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O 
A alimentação do reator contém quantidades equimolares de metano e oxigênio. Admita uma base 
de 100 mols de alimentação/s. 
a) Deduza expressões para as vazões dos componentes da corrente de produto em termos das duas 
extensões de reação, 𝜀1 e 𝜀2. R: �̇�𝐶𝐻4 = 50 − 𝜀1 − 𝜀2; �̇�𝑂2 = 50 − 𝜀1 − 2𝜀2; �̇�𝐻𝐶𝐻𝑂 = 𝜀1; 
�̇�𝐻2𝑂 = 𝜀1 + 2𝜀2; �̇�𝐶𝑂2 = 𝜀2. 
b) A conversão fracional de metano é 0,900, e o rendimento fracional de formaldeído é 0,855. 
Calcule a composição molar da corrente de saída do reator e a seletividade da produção de 
formaldeído em relação à produção de dióxido de carbono. R: %molares → CH4 = 5,00%; O2 
= 2,75%; HCHO = 42,75%; H2O = 47,25% e CO2 = 2,25%. 
5) (Felder, p. 183, q. 68) O etano é clorado em um reator contínuo: 
C2H6 + Cl2 → C2H5Cl + HCl 
Parte do produto, monocloroetano, é depois clorado em uma reação paralela não desejada: 
C2H5Cl + Cl2 → C2H4Cl2 + HCl 
a) Suponha que seu principal objetivo é maximizar a seletividade da produção de monocloroetano 
em relação à produção de dicloroetano. Você projetaria o seu reator para altas ou baixas 
conversões de etano? Explique a sua resposta. (Dica: Se o conteúdo do reator permanece dentro 
do próprio reator por um tempo suficiente para que a maior parte do etano na alimentação seja 
consumido, qual será, provavelmente, o maior constituinte do produto?) Que passos adicionais, 
quase com certeza, deverão ser seguidos para tornar o processo economicamente viável? R: 
Resposta por conta do (a) discente. 
b) Tome como base 100 mol/s de C2H5Cl produzido. Admita que a alimentação contém apenas 
etano e cloro e que todo o cloro é consumido; faça uma análise dos graus de liberdade baseada 
nos balanços de espécies atômicas. R: Resposta por conta do (a) discente. 
c) O reator é projetado para fornecer uma conversão de 15% de etano e uma seletividade de 14 
mol C2H5Cl/mol C2H4Cl2, com uma quantidade desprezível de cloro no produto gasoso. Calcule 
a razão de alimentação (mol Cl2/mol C2H6) e o rendimento fracional de monocloroetano. R: 
0,16 mol Cl2/mol C2H6; rmonocloroetano = 0,875. 
6) (Felder, p. 183, q. 69) O etanol é produzido comercialmente pela hidratação do etileno: 
C2H4 + H2O → C2H5OH 
Parte do produto é convertida a éter dietílico na reação paralela 
2C2H5OH → (C2H5)2O + H2O 
A alimentação do reator contém etileno, vapor de água e um gás inerte. Uma amostra do efluente 
do reator é analisada, e contém 43,3% molar de etileno, 2,5% de etanol, 0,14% de éter, 9,3% de 
inertes e o resto de água. 
a) Tomando como base 100 mols do efluente gasoso, desenhe e rotule um fluxograma e faça uma 
análise dos graus de liberdade baseada nos balanços de espécies atômicas para provar que o 
sistema tem zero graus de liberdade. R: Resposta por conta do (a) discente. 
b) Calcule a composição molar da alimentação do reator, a percentagem de conversão de etileno, 
o rendimento fracional de etanol e a seletividade da produção de etanol em relação à produção 
de éter. R: %molares → C2H6 = 44,8%, H2O = 46,1% e inertes = 9,1%; fC2H4 = 0,06 ou 6%, 
retanol = 0,054 e Setanol/éter = 17,9 mol C2H5OH/mol (C2H5)2O. 
c) A percentagem de conversão de etileno calculada deve ser muito baixa. Por que você acha que 
o reator foi projetado para consumir tão pouco reagente? (Dica: Se a mistura reacional 
permanecesse no reator tempo suficiente para consumir a maior parte do etileno, qual seria, 
provavelmente, o principal constituinte do produto?) Que passos de processamento adicionais 
devem acontecer a jusante do reator? R: Resposta por conta do (a) discente. 
7) (Felder, p. 186, q. 75) Um reator catalítico é usado para produzir formaldeído a partir de metanol 
através da reação: 
CH3OH → HCHO + H2 
Uma conversão por passe no reator de 60,0% é atingida. O metanol no produto do reator é separado 
do formaldeído e do hidrogênio em um processo de múltiplas unidades. A taxa de produção de 
formaldeído é de 900,0 kg/h. 
a) Calcule a vazão de alimentação de metanol necessária (kmol/h) se não houver reciclo. R: 50,0 
kmol/h. 
b) Suponha que o metanol recuperado é reciclado para o reator e que a conversão no mesmo 
permanece em 60%. Sem fazer nenhum cálculo, prove que você tem informação suficiente para 
determinar a vazão de alimentação fresca de metanol necessária (kmol/h) e as vazões (kmol/h) 
nas quais o metanol entra e sai do reator. Faça depois os cálculos. R: Carga fresca = 30,0 kmol/h; 
Alimentação do reator = 50,0 kmol/h; Saída do reator = 20,0 kmol/h. 
8) (Nilo, p. 195, q. 70) Formaldeído pode ser obtido pela oxidação catalítica de metanol com excesso 
de ar, de acordo com a reação: 
CH3OH +
1
2
O2 → HCOH + H2O 
Se as condições do processo não forem controladas adequadamente, a seguinte reação secundária 
ocorre: 
HCOH +
1
2
O2 → HCOOH 
No processo industrial, o efluente do reator passa por um processo de recuperação inicial, onde 
praticamente todo o metanol que não reage é reciclado e o restante do efluente é separado em duas 
correntes: uma gasosa contendo N2 e O2 e uma líquida contendo formaldeído, ácido fórmico e 
água. Em um teste de corrida, o gás efluente do reator apresentou a seguinte composição molar: 
CH3OH = 7,85%, HCOH = 3,10%, HCOOH = 0,60%, H2O = 3,70%, O2 = 16,10% e N2 = 68,65%. 
Calcule:a) A conversão por passe de metanol. R: 32%. 
b) A % de excesso de ar. R: 216%. 
c) O rendimento por passe do formaldeído. R: 26,84%. 
d) O rendimento global do formaldeído. R: 83,78%. 
e) A seletividade do formaldeído em relação ao ácido fórmico. R: 5,17. 
9) (Nilo, p. 195, q. 71) No processo de obtenção da amônia, a carga é uma mistura gasosa N2 + H2 
na relação estequiométrica, contendo metano e argônio como inertes, totalizando um teor molar 
de 1,2%. A corrente gasosa, contendo os reagentes não convertidos, os inertes e a amônia gasosa 
são divididos em duas correntes, uma que é reciclada ao reator e a outra que é purgada para evitar 
o acúmulo de metano e argônio no reator, de tal forma que a carga combinada não contenha mais 
do que 2,2% molar de inertes. A conversão global dos reagentes é de 65,0%, no entanto apenas 
75,0% da amônia produzida é recuperada como amônia líquida. Calcule: 
a) A razão molar de purga (gás de purga/gás de reciclo). R: 0,237. 
b) A % de conversão por passe no reator. R: 26,2%. 
10) (Nilo, p. 196, q. 72) Benzeno (B) pode ser produzido pela hidrogenação catalítica do tolueno (T) 
de acordo com a reação e o esquema abaixo: 
C7H8 + H2 → C6H6 + CH4 
 
O hidrogênio é adicionado à corrente de gás de reciclo RG com o objetivo de manter no gás G a 
razão molar H2/CH4 = 1. Na entrada do reator, a razão molar H2/T = 4 deve ser mantida na carga 
combinada Fc. A conversão de tolueno (T) por passe no reator é 80,0%. A corrente gasosa efluente 
do separador é composta apenas de CH4 e H2 e é dividida em duas correntes: uma é a purga (P) e 
a outra é o reciclo de gás RG. A corrente líquida efluente do separador é tolueno puro e é totalmente 
reciclada. Calcule: 
a) A conversão global de tolueno. R: 100%. 
b) As vazões molares de carga fresca (F), reciclo líquido (RL), reciclo de gás (RG), reposição de 
H2 (M) e de purga (P) para se produzir 10,0 kmol/h de benzeno. R: F = 10 kmol/h, RL = 2,5 
kmol/h, RG = 83,3 kmol/h, M = P = 16,7 kmol/h. 
11) (Nilo, p. 197, q. 75) Metanol é produzido pela reação: CO + 2H2 → CH3OH. Uma carga fresca 
contendo ambos reagentes em proporções estequiométricas é misturada com uma corrente de 
reciclo e a carga combinada é alimentada no reator. A corrente efluente do reator na vazão de 4,5 
mol/s e com a seguinte composição mássica: H2 = 9,3%, CO = 64,5% e CH3OH = 26,2% passa 
por um condensador onde a maior parte do metanol é condensada. Os gases não condensados 
(todo o CO e o H2) com um teor em quantidade de matéria de metanol igual a 0,5% constituem a 
corrente de reciclo. Calcule: 
a) a vazão molar produzida de metanol. R: 0,454 mol/s. 
b) a conversão por passe no reator. R: 25,2%. 
c) a razão molar de reciclo (vazão de reciclo/vazão da carga fresca do processo). R: 2,98. 
12) (Nilo, p. 162, ex. 4.10) De um forno queimando gás combustível resultou a seguinte análise de 
Orsat (base molar) dos gases de combustão: CO2 = 7,53%, O2 = 7,53%, CO = 0%. Calcule: 
a) a % de excesso de ar. R: 50%. 
b) a composição do gás de chaminé. R: % molares → CO2 = 6,55%; O2 = 6,55%; N2 = 73,83% 
e H2O = 13,07%. 
13) (Felder, p. 192, q. 91) Uma mistura 75% molar de propano e 25% de hidrogênio é queimada 
com 25% de ar em excesso. São atingidas conversões fracionais de 90% do propano e 85% do 
hidrogênio; do propano que reage, 95% formam CO2 e o resto forma CO. Calcule a concentração 
de CO (ppm) no gás de chaminé. R: 4101,8 ppm. 
14) (Felder, p. 193, q. 95) Uma mistura de propano e butano é queimada com oxigênio puro. Os 
produtos da combustão contêm 47,4% molar H2O. Depois que toda a água é removida dos 
produtos, o gás residual contém 69,4% molar CO2 e o resto de O2. 
a) Qual é a percentagem molar de propano no combustível? R: 65,1%. 
b) Parece agora que a mistura combustível pode conter não apenas propano e butano, mas também 
outros hidrocarbonetos. Tudo o que se sabe é que não há oxigênio no combustível. Use balanços 
atômicos para calcular a composição elementar do combustível a partir da análise dada dos 
produtos de combustão. Prove que a sua solução é consistente com a da parte a). R: Composição 
elementar (base molar) → C = 27,8%; H = 72,2%. 
15) (Felder, p. 193, q. 96) Um óleo combustível é analisado, contendo 85,0% em massa de carbono, 
12,0% de hidrogênio elementar (H), 1,7% de enxofre e o resto são materiais não combustíveis. O 
óleo é queimado com 20,0% de excesso de ar, baseado na combustão completa do carbono a CO2, 
do hidrogênio a H2O e do enxofre a SO2. O óleo queima completamente, mas 8% do carbono 
formam CO. Calcule a composição molar do gás de chaminé. R: CO2 = 10,7%; CO = 0,92%; SO2 
= 0,087%; H2O = 9,8%; O2 = 3,8% e N2 = 74,8%. 
16) (Nilo, p. 191, q. 50) Um óleo combustível com a seguinte análise elementar (base mássica): C = 
84,7%, H = 14,8% e S = 0,5% é queimado com 20,0% de excesso de ar. O gás de combustão 
gerado é misturado com um ar secundário e a mistura resultante é usada em um secador que reduz 
o teor de água de uma argila de 15,0% para 2,0% (base mássica). O teor de CO2 (em base seca) 
no gás efluente do secador é de 9,0% (base molar). Calcule: 
a) A razão em quantidade de matéria ar secundário/gás de chaminé (antes da mistura). R: 0,318. 
b) A razão mássica argila úmida/óleo combustível, se o teor de CO2 (em base úmida) do gás 
efluente do secador é 6,2% (base molar). R: 38,1. 
 
Referências 
FELDER, R. M.; ROUSSEAU, R. W.; BULLARD, L. G. Princípios Elementares dos Processos 
Químicos. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018. 
BRASIL, N. I. do. Introdução à Engenharia Química. 2. ed. Rio de Janeiro: Interciência, 2004.