PQI 3103

Conservação de Massa e Energia

Prof. Antonio Carlos S. C. Teixeira

Centro de Engenharia de Sistemas Químicos

Departamento de Engenharia Química – Escola Politécnica da USP

Edifício Semi-Industrial, bloco A, 3o andar

acscteix@usp.br

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http://www.lscp.pqi.ep.usp.br/disciplinas/pqi3103_PQI

Aula 5 (parte 2) – Balanços Materiais

em Processos com Reações Químicas

Pesquisa em Processos Oxidativos Avançados

Research in Advanced Oxidation Processes

balanço material com reação(ões) química(s)

Conservação de massa total;

Espécies consumidas e espécies produzidas por

meio de uma ou mais reações químicas;

Estequiometria da(s) reação(ões) envolvida(s).

conservação de massa, 1789

proporções das massas nas

reações químicas, 1808

exemplo – remoção de odores de águas residuais

A cloração é o tratamento mais empregado para remoção de odores

de águas residuais, resultantes da presença de sulfeto de hidrogênio

(H2S) e outras substâncias geradas pela redução anaeróbia de

compostos orgânicos nitrogenados e sulfurados. A cloração não

somente remove os compostos de odor desagradável como também

retarda o crescimento de bactérias responsáveis pela produção

desses compostos. Como exemplo, HOCl reage com H2S de acordo

com a reação:

4HOCl + H2S → SO42− + 6H+ + 4Cl−

A prática em plantas de tratamento sugere o emprego de 100% de

excesso de HOCl. Qual a quantidade de solução 5% em massa de

HOCl que deve ser empregada por m3 de água residual tratada,

contendo 50 ppm de H2S? (Resposta: 12,4 kg solução HOCl/m3)

sR~

0~

,, ssaídasentradas RFFbalanço molar para a

espécie s (estado

estacionário)

Adaptado de: Fogler, H.S.

Essentials of Chemical Reaction

Engineering, 1st Ed., Pearson

Education, Inc, 2011.

produtos para 0~sR

reagentes para 0~sR

mol/unidade de tempo

kmol/unidade de tempo

lbmol/unidade de tempo

constante

~~~~

D

D

C

C

B

B

A

A

RRRR

DCBA dcba

0

0

0

s

s

s

para reagentes

para produtos

para inertes ou não participantes da reação

)( ba BA ;

)( dc DC ;

s

s

~

Rr

mol/unidade de tempo

kmol/unidade de tempo

lbmol/unidade de tempo

0~

1

,

1

,

s

K

k

ks

J

j

js RFF

balanço molar para a espécie s (estado estacionário)

01

,

1

,

rFF s

K

k

ks

J

j

js (uma reação)

01

,

1

,

1

,

Q

q

qqs

K

k

ks

J

j

js rFF (q reações)

j = 1, ..., J correntes de entrada

k = 1, ..., K correntes de saída

s = 1, ..., S espécies químicas

q = 1, ..., Q reações químicas

conversão ou fração convertida

de um reagente s

entradas

saídasentradas

sF

FFX

,

,,

s

sentradas XFr

,

reagente limitante

reagente presente em proporção menor que a

estequiométrica, em relação a cada um dos demais

reagentes. Nesse caso, o reagente poderá ser

consumido totalmente antes dos demais

s

entradas

ticocaracteríss

Fr

,

,1sX

< rs,característico → limitante

exemplo – reagente limitante e conversão

Um reator é alimentado com uma mistura equimolar das substâncias

A, B e C, a fim de produzir os compostos D e E, conforme a reação:

A + 2B + 3/2C → 2D + E

Se a conversão no reator é de 50%, calcule as porcentagens molares

de cada espécie na saída do reator. (Resposta: 28,6% A; 19% B;

23,8% C; 19% D; 9,5% E)

rendimento fracionário de um produto p a

partir de um reagente q

max~

~

p

p

pqR

RY

exemplo – processo com múltiplas reações

2R → P + W (r1)

R → B + W (r2)

R

I

uma possível estratégia de solução

“Quando um navegante não sabe a que porto se dirige, nenhum vento é adequado”

Sêneca (séc. I d.C.)

exemplo – reforma a vapor de metano

Admite-se que as seguintes reações ocorram durante a

obtenção de gás de síntese por meio de reforma a vapor de

metano em catalisador de Ni-Al2O3:

CH4 + CO2 ⇄ 2CO + 2H2

CO + H2O ⇄ CO2 + H2

CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2

CH4 + 2H2O ⇄ CO2 + 4H2

O gás de síntese contém todos os compostos. Suponha que

um reformador seja operado de modo a produzir gás de síntese

com proporção molar H2:CO igual a 2,2 a partir de uma corrente

de alimentação contendo 50% CH4, 35% H2O e 15% CO2.

Calcular a composição completa do gás de síntese, sabendo-se

que 80% do metano são convertidos no reator. (Resposta:

5,56% CH4; 2,78% H2O; 2,78% CO2; 27,8% CO; 61,1% H2)

processo de reforma de gás natural e produção de NH3

reformador

catalisador Ni/Al2O3

reformador

1 2

50% CH4

35% H2O

15% CO2

CH4 + CO2 ⇆ 2CO + 2H2 (r1)

XCH4 = 0,8

CH4

H2O

CO2

CO

H2

H2:CO = 2,2

CO + H2O ⇆ CO2 + H2 (r2)

CH4 + H2O ⇆ CO + 3H2 (r3)

CH4 + 2H2O ⇆ CO2 + 4H2 (r4)

gás de

síntese

reformador

1 2

50% CH4

35% H2O

15% CO2

CO + 3H2 ⇆ CH4 + H2O (r’1 )

XCH4 = 0,8

CH4

H2O

CO2

CO

H2

H2:CO = 2,2

CO + H2O ⇆ CO2 + H2 (r’2)

gás de

síntese

BC: FCO,2 = 100 mol/h

exercício – isomerização de butenos

As reações de isomerização a seguir ocorrem em fase

gasosa e são catalisadas por alumina. Sob

determinadas condições de pressão e temperatura,

obtêm-se 60% de conversão de 1-buteno. A

alimentação do reator consiste em 1-buteno puro e a

corrente de produto contém 25% de cis-2-buteno.

Calcular a composição dos outros isômeros.

(Resposta: 40% de 1-buteno e 35% de trans-2-buteno).

1-buteno ⇄ cis-2-buteno

cis-2-buteno ⇄ trans-2-buteno

trans-2-buteno ⇄ 1-buteno