BALANÇOS DE MASSA NA PRESENÇA DE REAÇÕES QUÍ claudio/BM.pdf · - Reagente limitante e reagente…

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  • BALANOS DE MASSA

    NA PRESENA DE REAES QUMICAS

  • 1. Balanos de Massa e de Energia na Presena de Reaes

    Qumicas

    1.1 Reviso

    1.2 Alguns Conceitos Utilizados em Cintica Qumica

    1.3 Balanos de Massa

  • 1. Balanos de Massa e de Energia na Presena de Reaes

    Qumicas

    1.2 Alguns Conceitos Utilizados em Cintica Qumica

    - Reagente limitante e reagente em excesso

    - Frao em excesso e percentual em excesso

    - Frao convertida e converso percentual

    - Grau de completao

    - Seletividade

    - Rendimento

    1.3 Balanos de Massa

    1.1 Reviso

    - Quantidade de Matria (mol)

    - Estequiometria

    - Grau de Avano

  • QUANTIDADE DE MATRIA (MOL)

    Substncias existem sob a forma de molculas.

    Numa reao qumica, em condies favorveis, os tomos das

    molculas das reagentes se recombinam formando molculas

    dos produtos.

    SO

    O

    O

    SO3SO3

    O

    O

    S

    O

    O

    S

    O

    O

    SO2 SO2

    O2

    Observa-se que o nmero de molculas formadas diferente do

    nmero inicial de molculas. Mas o nmero de tomos

    conservado

    S

    S

    O

    O

    O

    O

    O

    O

    Estado intermedirio hipottico

  • SO

    O

    O

    SO3SO3

    O

    O

    S

    O

    O

    S

    O

    O

    SO2 SO2

    O2

    Observa-se que o nmero de molculas formadas diferente do

    nmero inicial de molculas.

    Mas o nmero de tomos conservado (massa)

    S

    S

    O

    O

    O

    O

    O

    O

    Estado intermedirio hipottico

    Logo, em reaes qumicas:

    (a) h conservao de massa

    (b) no h conservao de mol (molculas)

  • Se o nmero de molculas de um dos reagentes fr superior ao

    necessrio para a reao, sobraro molculas deste reagente

    (no encontraro "parceiras" para combinar).

    SO

    O

    O

    SO3 SO3

    O

    O

    S

    O

    O

    S

    O

    O

    SO2SO2

    O2

    O

    O

    O2

    O

    O

    O2

    Neste caso, este reagente chamado de reagente em excesso.

    O outro, o reagente limitante.

    Quando no houver reagente em excesso tambm no haver

    reagente limitante.

  • ESTEQUIOMETRIA

    o estudo da proporo com que as substncias reagem

    Esta proporo representada pelos coeficientes

    estequiomtricos das substncias na equao qumica que

    representa a reao.

    S

    S

    O

    O

    O

    O

    O

    O

    SO

    O

    O

    SO3SO3

    O

    O

    S

    O

    O

    S

    O

    O

    SO2 SO2

    O2

    No exemplo:

    2 SO2 + O2 2 SO3 (1 do O2 omitido)

    Em geral:

    Equao Qumica

    1 A1 + 2 A2 3 A3 + 4 A4

  • Para facilitar os clculos relativos s reaes adota-se uma

    unidade correspondente ao

    Nmero de Avogadro: 6,023x1023.

    Tanto em laboratrio como, principalmente, em escala industrial,

    as reaes envolvem um grande nmero de molculas.

    1 gmol = 6,023 x 1023 molculas

    No sistema SI, esta unidade o grama mol (gmol)

    2 SO2 + O2 2 SO3

    1 mol = 6,023 x 1023 molculas

    Em clculos de engenharia: 1 mol = 6 x 1023 molculas

  • Assim, ao invs de se dizer que para produzir

    12x 1023 molculas de SO3 so necessrias

    12 x 1023 molculas de SO2 e 6 x 1023 molculas de O2.

    Basta dizer que para produzir

    2 mol de SO3 so necessrios

    2 mol de SO2 e 1 mol de O2.

    2 SO2 + O2 2 SO3

    Pode-se pensar no gmol como um pacote contendo

    6 x 1023 molculas

    6x1023molculas

    1 mol

  • como se as molculas dos reagentes se apresentassem para

    reagir acomodadas dentro de pacotes de 6x1023 molculas

    e que as as molculas dos produtos, aps a reao, se

    acomodassem dentro de pacotes tambm com 6x1023 molculas

    2 SO2 + O2 2 SO3

    SO2 O2

    2 mol 1 mol

    12 x 1023

    molculas

    6 x 1023

    molculas

    SO3

    2 mol

    12 x 1023

    molculas

  • 2 SO2 + O2 2 SO3

    Analisando a reao do ponto de mol

    Observa-se que o nmero de mol no se conserva na reao.

    2 mol 1 mol 2 mol

    Analisando a reao do ponto de vista de massa

    Observa-se que massa conservada na reao.

    SO2: 64 g/mol128 g

    O2: 32 g/mol

    32 g

    2 mol 1 mol 2 mol

    SO3: 160 g/mol

    160 g

  • GRAU DE AVANO

    Considere uma produo de 200 kmol/h de SO3 . A quantidade

    necessria de cada reagente ditada pela estequiometria:

    Observe-se que a razo

    (quantidade processada) / (coeficiente estequiomtrico)

    a mesma para todas as substncias

    2 SO2 + O2 2 SO3200 100 200

    2 SO2 + O2 2 SO3

    Logo, esta razo uma caracterstica da reao e recebe o

    nome de

    1002

    200

    1

    100

    2

    200

    Grau de Avano ()

  • GRAU DE AVANO

    2 SO2 + O2 2 SO3

    Conhecido o Grau de Avano () , possvel calcular o consumo

    de cada reagente e a produo de cada produto. Basta multiplic-

    lo pelo respectivo coeficiente estequiomtrico.

    = 100

    Consumo de O21 = 100 kmol/h

    Consumo de SO22 = 200 kmol/h

    Produo de SO32 = 200 kmol/h

    2 1

    2

  • 1. Balanos de Massa e de Energia na Presena de Reaes

    Qumicas

    1.1 Reviso

    1.3 Balanos de Massa

    1.2 Alguns Conceitos Utilizados em Cintica Qumica

  • Outros referem-se eficincia das reaes:

    - Reagente limitante e reagente em excesso

    - Frao em excesso e percentual em excesso

    - Frao convertida e converso percentual

    - Grau de completao

    - Seletividade

    - Rendimento

    Diversos conceitos cercam o estudo das reaes qumicas

    Alguns se referem aos reagentes:

  • REAGENTE LIMITANTE, REAGENTE EM EXCESSO

    H ocasies em que necessrio que um determinado reagente

    esteja presente numa quantidade superior estequiomtrica.

    Por exemplo: para garantir a converso completa do outro

    reagente ou para minimizar o aparecimento de um sub-produto

    indesejvel.

    Reagente Limitante: aquele que se esgota totalmente na

    reao.

    Reagente em Excesso: aquele que se encontra presente

    numa quantidade superior quela ditada pela estequiometria.

  • REAGENTE LIMITANTE, REAGENTE EM EXCESSO

    Exemplo: 2 SO2 + O2 2 SO3

    Se o SO2 e o O2 forem adicionados em proporo

    estequiomtrica (ex.: 200 mol de SO2 e 100 mol de O2),

    ambos se esgotaro na produo de 200 mol de SO3.

    2 SO2 + O2 2 SO3200 100 200

  • REAGENTE LIMITANTE, REAGENTE EM EXCESSO

    Exemplo: 2 SO2 + O2 2 SO3

    Se o O2 for adicionado em quantidade superior (ex.: 150 mol), o

    SO2 se esgotar reagindo com 100 mol de O2 na produo de

    200 mol de SO3.

    2 SO2 + O2 2 SO3200 100 200

    50

    Neste caso, sobrar um excesso de 50 mol de O2 .

    Ento, o SO2 ser o reagente limitante e o O2 o reagente em

    excesso.

  • Frao e Percentual em Excesso

    Percentual em excesso = 100 x frao em excesso

    Percentual em excesso = 100 x 0,50 = 50 %

    Frao em excesso = mol em excesso/mol estequiomtrico

    Frao em excesso = 50 / 100 = 0,50

    Sem excesso

    2 SO2 + O2 2 SO3200 100 200

    Com excesso

    2 SO2 + O2 2 SO3200 100 200

    50

  • Converso Percentual (Percentual Convertido)

    Converso % = 100 x frao convertida

    Frao Convertida, Converso Percentual

    Frao convertida = mol reagido / mol alimentado

    Frao convertida:

    (mol na entrada - mol na sada) / mol na entrada

  • Exemplo: acrilonitrila a partir de amnia

    C3H6 + NH3 + 1,5 O2 C3H3N + 3 H2O (N2)1 2 3 4 5 6

    Acrilonitrila produzida a partir de propileno, amnia e oxignio

    (do ar) pela reao:

    A alimentao constituda de 10% de propileno, 12% de amnia

    e 78% de ar.

    (a) Identifique e quantifique eventuais reagentes em excesso e

    limitante.

    (b) Para uma base de 100 kmol/h de propileno, sabendo que a

    converso do propileno de 30%, determine as vazes de todas

    as substncias nas correntes de entrada e de sada do reator.

  • f12 =

    f22 =

    f32 =

    f42 =

    f52 =

    f62 =

    F1 = 100 kmol/h F2REATOR

    f11 = 0,1 (100) = 10 kmol/h

    f21 = 0,12 (100) = 12 kmol/h

    far = 0,78 (100) = 78 kmol/h

    f31 = 0,21 (78) = 16,4 kmol/h

    f61 = 78 16,4 = 61,6 kmol/h

    (a) Identifique e quantifique eventuais reagentes em excesso e limitante.

    Exemplo : acrilonitrila a partir de amnia

    C3H6 + NH3 + 1,5 O2 C3H3N + 3 H2O (N2)1 2 3 4 5 6

    A alimentao constituda de 10% de propileno, 12% de amnia

    e 78% de ar.

    NH3 estequiomtrico = 10. Excesso = (12 10) / 10 = 0,20 (20%)(s o esteq. reage)

    O2 estequiomtrico = 15. Excesso = (16,4 15) / 15 = 0,092 (9,2%)

    Reagente limitante: propileno (C3H6)

  • f12 = 7 kmol/h

    f22 = 9 kmol/h

    f32 = 11,9 kmol/h

    f42 = 3 kmol/h

    f52 = 9 kmol/h

    f62 = 61,6 kmol/h

    F1 = 100 kmol/h F2REATOR

    f11 = 0,1 (100) = 10 kmol/h

    f21 = 0,12 (100) = 12 kmol/h

    far = 0,78 (100) = 78 kmol/h

    f31 = 0,21 (78) = 16,4 kmol/h

    f61 = 78 16,4 = 61,6 kmol/h

    Exemplo: acrilonitrila a partir de amnia

    C3H6 + NH3 + 1,5 O2 C3H3N + 3 H2O (N2)1 2 3 4 5 6

    A alimentao constituda de 10% de propileno, 12% de amnia

    e 78% de ar.

    (b) Para uma base de 100 kmol/h de propileno, sabendo que a converso do propileno

    de 30%, determine as vazes na corrente de sada do reator.

    C3H6: convertidos (0,3)(10) = 3 f12 = 10 3

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