01 - Um determinado processo de produção de zinco, onde se aplica energia elétrica correspondente a 10 kW, pode ser descrito pelos seguintes fluxos:

mols de
í
Considerando os dados de entalpia das espécies (cal/mol):
T (K) ZnO C Zn CO
400 -82180 250 625 -25458 -92437 723
500 - 81060 570 1270 -24429 -90622 1455
600 -79900 950 1940 -24279 -90964 2210
1200 -72450 3850 35600 -15766 -74967 7040
Pede-se:
A) determine o tempo para produzir 100 mols de Zn , considerando que as perdas térmicas correspondem a 20% da energia elétrica empregada;
B) propõe-se substituir a energia elétrica, muito cara, por pré-aquecido (que sairia do reator a 1200 K ). Qual a quantidade requerida se a temperatura de admissão do mesmo for igual a 1000 K ? E a 1400 k ? Comente os resultados.

Passo 1

O enunciado trata da produção de zinco por redução de óxido de zinco com carbono, gerando zinco gasoso e monóxido de carbono. Precisamos fazer balanço de entalpia para a reação
ZnO(s,,400,K) + C(s,,600,K) ;longrightarrow; Zn(g,,1200,K) + CO(g,,1200,K)
e, a partir do calor necessário, calcular o tempo de reação com potência elétrica de 10,kW (mas só 80% dessa potência é útil). Depois, para a parte B, substituir essa energia por nitrogênio pré–aquecido, calculando quantos mols são necessários quando a admissão for a 1000,K e a 1400,K.

Passo 2

Calcular a entalpia da reação por mol de Zn formado usando os valores da tabela:
De<a Hrm rxn =HZn,1200 + HCO,1200 -l[HZnO,400 + HC,600r]
Substituindo:
HZn,1200=35600, HCO,1200=-15766,
HZnO,400=-82180, HC,600=950,
De<a Hrm rxn =(35600 + (-15766)) - l(-82180 + 950r) =19834 -(-81230) =19834 + 81230 =101064;cal/mol

Passo 3

Para produzir 100 mol de Zn o calor total é
Q = 100 times 101064 = 1,01064times10^7;cal approx 42,27;MJ

Passo 4

A potência elétrica útil é
Prm útil = 10;kWtimes 0,8 = 8,0;kW =8000;J/s ;equiv; 80004,184approx1912;cal/s ú
O tempo de operação é
t = QPrm útil =1,01064times10^71912approx5286; s approx1,47; h approx1; h;28;min ú

Passo 5

Para a parte B o calor é fornecido pelo ar quente de nitrogênio que entra a Trm in e sai a 1200,K. O calor cedido por mol de N2 é
qN2 =integralTrm in^1200l(6,66 +1,20times10^-3Tr), dT =6,66,(1200 -Trm in) +0,0006l(1200^2-Trm in^2r)

Passo 6

Se Trm in=1000,K, então
qN2 =6,66times200 +0,0006,(1440000-1000000) =1332 +264 =1596;cal/mol,
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nN2 =QqN2 =1,01064times10^71596 approx6335;mol

Passo 7

Se Trm in=1400,K então o nitrogênio esfria de 1400 a 1200,K:
qN2 =6,66times200 +0,0006,(1960000-1440000) =1332 +312 =1644;cal/mol,
nN2 =1,01064times10^71644 approx6148;mol

Resposta

A) tapprox1,47 h ( approx 1 h 28 min).
B) nN2approx6335 mol se Trm in=1000,K, e approx6148 mol se Trm in=1400,K. Note que aquecer mais o N2 reduz só ligeiramente sua vazão necessária.

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