UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA PRINCÍPIOS DOS PROCESSOS QUÍMICOS André Luis Lopes Moriyama Lista de Exercícios da Unidade II
1. Balancear, determinar a relações entre os coeficientes e determinar a quantidade de oxigênio necessária para produzir 1600 kg/h de SO3 (massa molar SO3=80 kg/kmol; massa molar O2=32 kg/kmol) dada a reação abaixo. SO2 O2 SO3
2. A acrilonitrila é produzida pela reação entre propileno, amônia e oxigênio: C 3 H 6 NH 3
3 2
O2 C 3 H 3 N 3 H 2 O
A alimentação de um reator contém 10,0% molar de propileno, 12,0% de amônia e 78% de ar. Uma conversão fracional de 30,0% do reagente limitante é atingida. Tomando como base 100 moles de alimentação, determine qual é o reagente limitante, a percentagem de excesso dos outros componentes e as vazões molares de todos os produtos. 3. As reações abaixo ocorrem simultaneamente em um reator contínuo operando em estado estacionário. A alimentação contém 85% molar de etano (C2H6) e o resto são inertes (I). A conversão fracional do etano é 0,501, e o rendimento fracional do etileno é 0,471. Calcule a composição molar do produto gasoso e a seletividade da produção do etileno em relação ao metano. C 2 H 6 C 2 H 4 H 2 C 2 H 6 H 2 2CH 4
4. O metano é queimado com ar em um reator contínuo no estado estacionário para produzir uma mistura de monóxido de carbono, dióxido de carbono e água. As reações envolvidas são: CH 4
3 2
O2 CO 2 H 2 O
CH 4 2O2 CO2 2 H 2 O
A alimentação contém 7,8% molar de CH4, 19,4% de O2 e 72,8% de N 2. A percentagem de conversão do metano é 90%, e o gás que sai do reator contém 8 mol de CO2 /mol CO. Faça uma análise dos graus de liberdade do processo para cada tipo de balanço (molecular, atômico e extensão da reação). Calcule depois a composição molar da corrente de produto usando o balanço nas espécies atômicas.
5. O propano é desidrogenado para formar propileno em um reator catalítico:
C 3 H 8 C 3 H 6 H 2
O processo precisa ser projetado para uma conversão de 95% do propano. Os produtos da reação são separados em duas correntes: a primeira, que contém H2, C3H6, e 0,555% do propano que deixa o reator, é considerada a corrente de produto; a segunda, que contém o resto do propano não reagido e 5% do propileno da corrente do produto, é reciclada para o reator. Calcule a composição do produto, a razão (moles reciclados)/(mol de alimentação virgem) e a conversão no reator.
6. O metanol pode ser produzido pela reação de dióxido de carbono e hidrogênio: CO2 3 H 2 CH 3OH H 2 O
A alimentação virgem do processo contém hidrogênio, dióxido de carbono e 0,4% molar de inertes (I). O efluente do reator passa a um condensador, que retira essencialmente todo o metanol e a água formados e nenhum dos reagentes ou inertes. Estas substâncias são recicladas para o reator. Para evitar o acúmulo de inertes no sistema, uma corrente de purga é retirada do reciclo. A alimentação do reator (não a alimentação virgem do processo) contém 28% molar de CO2, 70% molar de H2 e 2% molar de inertes. A conversão no reator é de 60%. Calcule as vazões e as composições molares da alimentação virgem, a alimentação total do reator, a corrente de reciclo e a corrente de pruga para uma produção de metanol de 155 kmol CH3OH/h. Suponha uma base de cálculo de 100 mol de alimentação ao reator.
7. Cem mol/h de butano (C4H10) e 5000 mol/h de ar são fornecidos a um reator de combustão. Calcule a percentagem de ar em excesso. A reação de combustão do butano é mostrada abaixo. C 4 H 10
13 2
O2 4CO2 5 H 2O
8. Um gás de chaminé contém 60% molar de N2, 15% de CO2, 10% de O2 e o resto é H2O. Calcule a composição molar do gás em base seca. Assuma uma base de cálculo em base úmida para resolver esse problema. 9. Uma análise Orsat (uma técnica para análise de gás de chaminé) fornece a seguinte composição em base seca: 65% molar de N2, 14% de CO2, 11% de CO e 10% de O 2. Uma medição da umidade mostra que a fração molar de H2O no gás de chaminé é 0,07. Calcule a composição do gás de chaminé em base úmida. Assuma uma base de cálculo em base seca para resolver esse problema.
10. O etano é queimado com 50% em excesso de ar. A percentagem de conversão do etano é 90%; do etano queimado, 25% reagem para formar CO e o resto forma CO 2. Água também é um produto das reações que geram CO ou CO2. Calcule a composição molar do gás de chaminé em base seca e a razão molar da água para o gás de chaminé seco. 11. Um gás de hidrocarboneto é queimado com ar. A composição em base seca do gás de produto é 1,5% molar CO, 6% CO2, 8,2% O2 e 84,3% N2. Não existe oxigênio atômico no combustível. Calcule a razão de hidrogênio para carbono no gás combustível e especule sobre qual pode ser este combustível. Calcule então a percentagem de excesso de ar alimentado no reator. 12. O nível de água em um reservatório municipal tem diminuído sistematicamente durante um período de seca, que pode continuar por outros 60 dias. A companhia de água local estima que a taxa de consumo na cidade é aproximadamente 107 L/dia. A Agência Estadual do Meio Ambiente estima que a chuva e a contribuição das correntes para o reservatório aliadas à evaporação do mesmo devem fornecer uma taxa líquida de entrada de água de 106exp(-t/100) L/dia, onde t é o tempo em dias desde o início do período de seca, quando o reservatório continha um volume estimado de 109 litros de água. Escreva um balanço diferencial da água no reservatório. Integre o balanço para calcular o volume do reservatório no fim dos 60 dias de seca contínua. 13. Um tanque de 12,5m³ está sendo enchido com água a uma taxa de 0,050 m³/s. Em um momento no qual o tanque contém 1,2 m³ de água, aparece no fundo do tanque um vazamento, que fica progressivamente pior com o tempo. A taxa de vazamento pode ser aproximada como 0,0025t (m³/s) onde t(s) é o tempo desde o momento em que apareceu o vazamento. Escreva um balanço de massa no tanque e use-o para obter uma expressão de dV/dt, onde V é o volume de água no tanque a qualquer momento. Forneça uma condição inicial para a equação diferencial. Resolva a equação do balanço para obter uma expressão para V(t) e desenhe um gráfico de V versus t. 14. Um tanque cilíndrico tem área da seção reta igual a 0,372 m2 e é cheio com água até uma profundidade de 1,83m. A vazão de água que sai do tanque diminui à medida que a altura do líquido no tanque diminui, de acordo com a equação abaixo. W é a vazão mássica (kg/s) e Z a altura do líquido (m). Quanto tempo irá demorar para que a altura da água no tanque atinja 0,61 m? W 16.44 Z
15. Um traçador é usado para caracterizar o grau de mistura em um tanque agitado contínuo. Água entra e sai do misturador com uma vazão Q (m³/min). Formaram-se incrustações nas paredes internas do tanque, de forma que o volume efetivo V(m³) do tanque é desconhecido. No tempo t=0, uma massa m0 (kg) de traçador é injetada no tanque e a concentração do mesmo na corrente de saída, C (kg/m³), é monitorada. a. Escreva um balanço diferencial do traçador no tanque em termos de V, C e Q, admitindo que o conteúdo do tanque está perfeitamente misturado, e converta o balanço em uma equação para dC/dt. Forneça uma condição inicial, admitindo que a injeção é rápida o suficiente para que todo o traçador possa ser considerado como já estando no tanque em t=0. b. Integre o balanço para provar que
m0 exp Qt V V
C t
c. Suponha que a vazão através do misturador é de 30 m³/min e que os seguintes dados são obtidos: Tempo desde a
1
2
3
4
0,223
0,050
0,011
0,0025
injeção, t (min) C x 103 (kg/m³)
Verifique graficamente se o tanque está funcionando como um misturador perfeito – quer dizer, se a expressão da parte (b) ajusta os dados – e determine o volume efetivo V(m³) a partir da inclinação do gráfico. 16. Uma reação em fase líquida com estequiometria AB acontece em um reator contínuo de tanque agitado bem misturado de 10,0 litros. O reator pode ser considerado perfeitamente misturado, de forma que o conteúdo é uniforme e a concentração de A na corrente de produto é igual à concentração dentro do tanque. O tanque está inicialmente cheio com uma solução que contém 2 mol A/L, e então começam os fluxos de entrada e saída. As vazões de alimentação e saída são ambas de 0,15 L/s. A concentração de A na alimentação é de 10 mols A/L. A concentração de A na saída é desconhecida. A taxa de consumo de A é dada por 0,0050CA [mol A reage / (L.s)]. Escreva um balanço da espécie A no tanque e forneça uma condição inicial. Calcule CAS, a concentração no estado estacionário de A no tanque (o valor obtido quando tOO). Resolva a equação do balanço CA(t), e trace o gráfico de CA versus t. 17. Diz-se de uma reação química com estequiometria Aprodutos que segue uma taxa de reação de ordem n se A é consumido a uma taxa proporcional à potência n da sua concentração na mistura reativa. Se rA é a taxa de consumo de A por unidade de volume do reator, então rA=kCAn [mol/(L.s)], onde CA (mol/L) é a concentração de reagente, e a constante de proporcionalidade k é a constante da taxa da reação. Uma reação que segue esta lei é conhecida como uma reação de ordem n. A constante da taxa é uma função forte da temperatura, mas é independente da concentração de reagente. a. Suponha que uma reação de primeira ordem (n=1) seja conduzida em um reator isotérmico em batelada de volume constante V. Escreva um balanço de massa de A e integre-o para deduzir a expressão CA=CA0exp(-kt), onde CA0 é a concentração de A no reator em t=0. b. Suspeita-se que a decomposição em fase gasosa do cloreto de sulfurilo SO2Cl2SO2+Cl2 segue uma taxa de primeira ordem. A reação é conduzda em um reator isotérmica em batelada de volume constante e a concentração de SO2Cl2 é medida a vários tempos de reação, com os resultados abaixo. Verifique graficamente a taxa proposta [quer dizer, demonstre que a expressão dada na parte (a) se ajusta aos dados para CA(t)] e determine a constante da taxa k, dando o valor numérico e as unidades. t (min)
4
21,3
39,5
63,4
120
175,6
CA (mol/L)
0,0279
0,0262
0,0246
0,0226
0,0185
0,0152
