RECICLO E PURGA NA

SÍNTESE DO METANOL

PROF. MARCELO HENRIQUE

EXEMPLO

• O metanol pode ser produzido pela reação de dióxido de carbono e hidrogênio:

𝐶𝑂2 + 3𝐻2 → 𝐶𝐻3𝑂𝐻 + 𝐻2𝑂

A alimentação virgem do processo contém hidrogênio, dióxido de carbono e 0,400% molar deinertes (I). O efluente do reator passa a um condensador, que retira essencialmente todo ometanol e a água formados e nenhum dos reagentes ou inertes. Estas substâncias são recicladaspara o reator. Para evitar o acúmulo de inertes no sistema, uma corrente de purga é retirada doreciclo.

A alimentação do reator (não a alimentação virgem do processo) contém 28,0% molar 𝐶𝑂2,70,0% molar 𝐻2 e 2,00% molar de inertes. A conversão no reator é de 6,0%. Calcule as vazõese as composições molares da alimentação virgem, a alimentação total do reator, a corrente dereciclo e a corrente de purga para uma produção de metanol de 155 kmol 𝐶𝐻3𝑂𝐻/ℎ.

Continuação da aula em sala...

• Análise do reator (de acordo com a análise dos graus de liberdade):

Conversão de 60% no reator: (lembrando que 40% não são convertidos e

saem no efluente do reator)

𝑛2 = 0,40 ∙ 70,0 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑠 = 28,0 𝑚𝑜𝑙 𝐻2

Balanço de 𝑯𝟐: 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜(𝑟𝑒𝑎çã𝑜) = 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑠𝑎í𝑑𝑎

𝐶𝑜𝑛𝑠𝐻2 = 70,0 − 28,0 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 = 42,0 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑠

Balanço de 𝑪𝑶𝟐: saída = entrada-consumo

n1 = 28,0 mol CO2 − 42,0 mols 𝐻2 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑠 ∙1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜

3 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝐻2 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑠= 14,0 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝐶𝑂2

Balanço de 𝑪𝑯𝟑𝑶𝑯: saída = geração

𝑛3 = 42, 𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝐻2 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑠 ∙1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻3𝑂𝐻 𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜

3 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑠= 14 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝐶𝐻3𝑂𝐻

Balanço de 𝑯𝟐𝑶: saída = geração

𝑛4 = 42,0 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝐻2 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑠 ∙1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂 𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜

3 𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑠= 14,0 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝐻2𝑂

• Análise do condensador:

Balanço de mols total: entrada = saída

𝑛1 + 𝑛2 + 𝑛3 + 𝑛4 + 2,0 𝑚𝑜𝑙𝑠 = 𝑛3 + 𝑛4 + 𝑛5

𝑛5 = 44 𝑚𝑜𝑙𝑠

Balanço de 𝐂𝐎𝟐: entrada = saída

𝑛1 = 𝑥5𝐶𝑂2 ∙ 𝑛5

𝑥5𝐶𝑂2 = 0,3182 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2/𝑚𝑜𝑙

Balanço de 𝑯𝟐: entrada = saída

𝑛2 = 𝑥5𝐻2 ∙ 𝑛5

𝑥5𝐻2 = 0,6364 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2/𝑚𝑜𝑙

𝑥𝐼𝑛𝑒𝑟𝑡𝑒 = 1 − 𝑥5𝐶𝑂2 − 𝑥5𝐻2 = 0,04545 𝑚𝑜𝑙 𝐼/𝑚𝑜𝑙

• Análise do ponto de mistura:

Balanço de mols totais: entrada = saída

𝑛0 = 𝑛𝑟 = 100 𝑚𝑜𝑙

Balanço de I: entrada = saída

𝑛0 0,00400 + 𝑛𝑟 0,4545 = 2,0 𝑚𝑜𝑙 𝐼

Resolvendo o sistema, obtemos:

𝑛0 = 61,4 𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎çã𝑜 𝑣𝑖𝑟𝑔𝑒𝑚

𝑛𝑟 = 38,6 𝑚𝑜𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜

Balanço de 𝑪𝑶𝟐: entrada = saída

𝑥0𝐶𝑂2𝑛0 + 𝑥5𝐶𝑂2 = 28,0 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2

𝑥0𝐶𝑂2 = 0,256 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2/𝑚𝑜𝑙

𝑥0𝐻2 = 1 − 𝑥0𝐶𝑂2 − 𝑥0𝐼 = 0,740 𝑚𝑜𝑙 𝐻2/𝑚𝑜𝑙

• Análise do Ponto de divisão

Balanço de mols totais: entrada = saída

𝑛5 = 𝑛𝑟 + 𝑛𝑝

𝑛𝑝 = 5,4 𝑚𝑜𝑙 𝑝𝑢𝑟𝑔𝑎

Escalonamento do diagrama (mudança de

escala)

• Para a base admitida de 100 mols de alimentação do reator, a taxa deprodução de metanol é 𝑛3 = 14,0 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻3𝑂𝐻. Para escalonar o processoaté uma taxa de produção de metanol de 155 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻3𝑂𝐻/ℎ ,multiplicamos cada vazão molar total e de componente pelo fator:

155 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻3𝑂𝐻/ℎ

14,0 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻3𝑂𝐻=11,0 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ

𝑚𝑜𝑙

Variável Valor na base Valor Escalonado

Alimentação virgem 61,4 mol 681 kmol/h

25,6% molar 𝐶𝑂2 25,6% molar 𝐶𝑂2

74% molar 𝐻2 74% molar 𝐻2

0,400% molar I 0,400% molar I

Alimentação no reator 100 mol 1110 kmol /h

28,0% molar 𝐶𝑂2 28,0% molar 𝐶𝑂2

70,0% molar 𝐻2 70,0% molar 𝐻2

2,0% molar I 2,0% molar I

Reciclo 38,6 mol 428 kmol/h

31,8% molar 𝐶𝑂2 31,8% molar 𝐶𝑂2

63,6% molar 𝐻2 63,6% molar 𝐻2

4,6% molar I 4,6% molar I

Purga 5,4 mol 59,9 kmol/h

31,8% molar 𝐶𝑂2 31,8% molar 𝐶𝑂2

63,6% molar 𝐻2 63,6% molar 𝐻2

4,6% molar I 4,6% molar I