Balanços em Processos Químicos Industriais

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PROCESSOS QUÍMICOS EQM003-EQ-
NR01 T
balanços em Processos Químicos Industriais 
com reação
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Balanço Material
com Reação
• Motivação
As reações a seguir ocorrem em um reator contínuo em
estado estacionário: C2H6  C2H4 + H2 e C2H6 + H2  2CH4.
A alimentação do reator contém 85%mol de etano (C2H6) e o restante é
de inertes. A conversão do etano é de 50,1% e a produtividade do
etileno (C2H6) é de 47,1%. Calcule a composição molar do gás de saída
do reator e a seletividade da produção de etileno em relação à de
metano (CH4).
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Conceitos Básicos
• Estequiometria
• A equação estequiométrica:
• Impõe restrições com relação às quantidades de reagentes e produtos nas correntes de 
entrada e de saída;
• Define o número relativo de moléculas ou moles de reagentes e produtos que participam 
da reação:
• Balanceamento da equação:
O número de átomos de cada espécie atômica deve ser o mesmo em ambos 
os lados da equação.
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322 22 SOOSO 
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Conceitos Básicos
• Estequiometria
• Reagente em excesso
• Todos os outros que não são o reagente limite:
• Conversão da reação
• Definida em relação ao reagente limite:
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100% 
ALIMENTADO
REAGIDO
n
n
f
100% 


TRICOESTEQUIOMÉ
TRICOESTEQUIOMÉALIMENTADO
n
nn
Excesso
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Conceitos Básicos
• Estequiometria
• Proporção estequiométrica
• Quando a razão molar de alimentação de 2 reagentes A e B é
igual à razão estequiométrica;
• Se os reagentes são alimentados na proporção estequiométrica e a reação 
se completa, todos os reagentes são consumidos.
• Reagente limite
• Aquele presente numa proporção menor do que a estequiométrica com
relação a todos os outros reagentes => desaparece primeiro quando a
reação se completa, ou seja, quando %f = 100%.
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Conceitos Básicos
• Estequiometria
• Avanço (extensão) da reação: e 
• nREAGIDO = número de moles ou vazão molar de reagente 
consumido no reator;
= número de moles ou vazão molar de produto formado
no reator;
• ni = Coeficiente estequiométrico da substância na reação.
• O avanço é único para cada reação, podendo ser calculado a partir 
das informações de qualquer reagente ou produto.
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i
REAGIDOn
n
  n iREAGIDOn 
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exercícios
4.1) Considere a reação de hidrogenação do acetileno: C2H2 + 2H2  C2H6.
Se 20 kgmol de acetileno e 50 kgmol de H2 são alimentados a um reator 
batelada e após algum tempo 30 kgmol de H2 reagiram, responda:
a) Qual o reagente limite?
b) Qual a porcentagem do reagente em excesso que é consumida?
c) Quais as quantidades de cada uma das substâncias presentes no 
reator neste momento?
d) Qual a conversão da reação?
e) Qual o avanço (extensão) da reação?
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Conceitos Básicos
• Estequiometria
• Seletividade e Produtividade
• Termos usados para descrever o grau de
predominância de uma reação sobre outras
reações simultâneas (paralelas ou em série).
• Seletividade
• Razão entre o número de moles de um certo
produto (desejado) e o número de moles de
outro produto (indesejado).
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)(
)(
/
indesejadoB
desejadoA
BA
n
n
S 
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Conceitos Básicos
Estequiometria
Produtividade
Pode ser definido de três formas:
1) Razão entre o número final de moles de um produto (P) e o
número inicial de moles de um reagente (R):
2) Razão entre o número final de moles de um produto (P) e o 
número
de moles consumidos de um reagente (R):
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)(
)(
inicialREAGENTE
finalPRODUTO
P
n
n
PROD 
)(
)(
consumidoREAGENTE
finalPRODUTO
P
n
n
PROD 
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Conceitos Básicos
Estequiometria
Produtividade
Pode ser definido de três formas:
1) Razão entre o número final de moles de um produto (P) e o 
número
de moles deste produto que teriam sido formados se:
a) não houvesse reações simultâneas (paralelas ou série) e
b) se o reagente limite fosse totalmente consumido.
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)(
)(
máximoPRODUTO
finalPRODUTO
P
n
n
PROD 
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exercícios
4.2) Na desidrogenação do etano a etileno (eteno) ocorrem duas
reações em paralelo: C2H6  C2H4 + H2 e C2H6 + H2  2CH4.
Sabendo-se que a composição dos gases de saída do reator é: 35%
C2H6, 30% C2H4, 28% H2 e 7% CH4, determine:
a) A seletividade do C2H4 em relação ao CH;
b) A produtividade do C2H4, dada em kgmol C2H4/kgmol C2H6.
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Tipos de Balanço
• Molecular
• Só o balanço global em massa pode ser escrito
como: entradas = saídas
• Balanços das substâncias presentes envolvem
geração e/ou consumo.
• Espécies atômicas
• Podem sempre ser escritos como entradas = saídas, pois átomos não 
podem ser criados ou destruídos
em uma reação química.
• Cuidado: Hidrogênio, Oxigênio e Nitrogênio
• Balanço molecular: H2; O2 e N2
• Balanço atômico: H, O e N
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Sistemas Independentes
• Equações, espécies e reações independentes
• Equações não são independentes se uma delas puder ser obtida por 
combinações de outras;
• Espécies não são independentes se estiverem na mesma proporção 
em todos os pontos do processo;
• Reações não são independentes se a equação estequiométrica de 
uma delas puder ser obtida por combinações de outras.
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Balanço em sistemas
com reação
• Análise de Graus de Liberdade
• Balanço molecular
No. de variáveis desconhecidas
 No. de reações independentes
 No. de balanços moleculares independentes
 No. de outras equações independentes
envolvendo as variáveis desconhecidas 
= No. de graus de liberdade
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Balanço em sistemas
com reação
• Análise de Graus de Liberdade
• Balanço atômico
No. de variáveis desconhecidas
 No. de balanços atômicos independentes
 No. de balanços de substâncias inertes
 No. de outras equações independentes
envolvendo as variáveis desconhecidas 
= No. de graus de liberdade
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Balanço em sistemas
com reação
• Sugestões de procedimentos para resolução de problemas:
• Balanços atômicos são, em geral, mais diretos, especialmente no caso 
de reações múltiplas, porém podem envolver sistemas de equações 
mais complexos a depender do número de espécies atômicas 
envolvidas;
• Avanços de reação são úteis nos casos de equilíbrio químico ou em 
modelos computacionais;
• Balanços moleculares são mais complexos que os demais e devem 
ser usados somente em sistemas simples envolvendo apenas uma 
reação.
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exercícios
4.3) Considere o seguinte processo de dimerização do etileno a buteno:
2C2H4  C4H8. Quantos balanços moleculares independentes estão envolvidos
no processo? Quantas espécies atômicas independentes estão envolvidas?
4.4) Escreva as equações estequiométricas da combustão do CH4 a
(1) CO2 e H2O e (2) CO e H2O e as equações da combustão do C2H6 a
(1) CO2 e H2O; e (2) CO e H2O. Prove que apenas três dessas quatro reações
são independentes.
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REATOR
100 kgmol
60% C2H4
40% N2
N2: n1
C4H8: n2
C2H4: n3
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exercícios
4.5) Considere o seguinte processo de desidrogenação de etano:
C2H6  C2H4 + H2. Calcule n1 e n2 pelos seguintes métodos:
a) Balanço molecular das substâncias envolvidas;
b) Balanço atômico das espécies envolvidas;
c) Extensão (avanço) da reação? 
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C2H6
100 kgmol/min
H2: 40 kgmol/min
C2H6: n1
C2H4: n2
REATOR
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C
C
E
S
Purga PG
Sistemas com
reciclo e purga
• Conversão global
• Fração convertida do reagente presente na carga fresca (CF)
• Conversão por passe
• Fração convertida do reagente presente na carga combinada (CC)
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CF
processosaídaCF
reagente
reagentereagente
globalConversão


CC
reatorsaídaCC
reagentereagentereagente
passeConversão

/
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4.6) A desidrogenação catalítica do propano a propileno ocorre de
acordo com a reação: C3H8  C3H6 + H2. O processo deve ser projetado
para uma conversão global de 95%. Os produtos da reação são
separados em duas correntes: uma contendo H2, C3H6 e 0,555% do
C3H8 que deixa o reator, que é retirada como produto; e outra que
contém o restante do C3H8 e 5% do C3H6 da outra corrente, que é
reciclada para o reator.
Calcule a composição do produto , a razão reciclo/carga fresca e a
conversão por passe.
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exercícios
4.7) No processo de produção de amônia, N2 + 3H2  2NH3, a carga
fresca é uma mistura estequiométrica de H2 e N2 que contém ainda
0,2 mol Ar (argônio) / 100 mol mistura (H2+N2). A conversão de NH3 no
reator é de 25%. A amônia formada é separada por condensação e
parte dos gases não convertidos é reciclada para o reator, sendo o
restante purgado. O teor máximo de Ar na entrada do reator é de
5,0 mol Ar (argônio) / 100 mol mistura (H2+N2).
Calcule as razões de reciclo (R/CF) e purga (P/R).
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Sistemas com combustão
Motivação
De um forno queimando gás combustível resultou a seguinte
análise d’Orsat dos gases de combustão: 7,53% CO2, 7,53% O2 e 84,94% N2.
Calcule o excesso de ar e a composição dos gases de chaminé em
base seca e úmida.
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Sistemas com combustão
• Reação de um combustível com o O2
• Combustão parcial - forma CO e CO2
• Combustão total - forma apenas CO2
• Gás de chaminé ou de combustão
• Todos os gases resultantes da queima, incluindo H2O(vapor)
• Composição:
• Base úmida - inclui H2O
• Base seca (Análise d’Orsat) - exclui H2O
• Análise d’Orsat - refere-se a um equipamento que mede os 
volumes dos gases em equilíbrio com a H2O, que é assim 
eliminada como componente da mistura.
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Sistemas com combustão
• Definições importantes
• ar teórico (ou estequiométrico)
• Quantidade de ar necessária para a combustão completa (CO2 e H2O) 
• O2 teórico (ou estequiométrico)
• Quantidade de O2 necessária para a combustão completa (CO2 e H2O)
• ar em excesso
• Quantidade de ar em excesso em relação ao ar teórico
• O2 em excesso
• Quantidade de O2 em excesso em relação ao O2 teórico
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Sistemas com combustão
• Cálculo do excesso de ar ou O2
• %EXCESSO de ar e O2 são iguais!
• Importante
• O excesso de ar ou O2 não depende da quantidade queimada, mas daquela 
que pode ser queimada;
• Se o combustível contiver O2, o excesso de ar ou de O2 será baseado na 
demanda líquida de O2 que é dada por:
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100% 


TEÓRICO
TEÓRICOALIMENTADO
ar
arar
arEXCESSO
100%
)(2
)(2)(2
2 


TEÓRICO
TEÓRICOALIMENTADO
O
OO
OEXCESSO
)(2)(2)(2 LCOMBUSTÍVETEÓRICOREQUERIDO
OOO 
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exercícios
4.8) Etano é queimado com 50% em excesso de ar, com uma conversão de
90%. Do etano queimado, 25% formam CO e o restante gera CO2.
Calcule a composição dos gases de combustão em base seca e a razão
molar de H2O e gás de chaminé seco.
4.9) Gás natural com a seguinte composição volumétrica:
78%CH4, 14%C2H6, 1%CO2 e 7%N2 é queimado com suprimento de ar restrito,
produzindo um gás de combustão com a seguinte composição: 21,60%H2O,
9,07%CO, 2,38%CO2 e 66,95%N2.
Calcule a quantidade de fuligem (C) produzida por kgmol de gás natural
queimado e a quantidade de ar alimentada, expressa como uma percentagem
da quantidade requerida (estequiométrica).
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balanços em Processos Químicos Industriais 
com reação