(Felder, p. 177, q. 52) O acetileno é hidrogenado para formar etano. A alimentação do reator contém 1,50 mol H2 / mol C2 H2. Com base no exposto:
a) Calcule a razão estequiométrica de reagente (mols de H2 que reagem / mol C2 H2 que reage). R: 2:1.
b) Determine o reagente limitante e calcule a percentagem pela qual o outro reagente está em excesso. R: H2 é o limitante; %Excesso de C2 H2=33,3 %.
c) Calcule a vazão mássica de alimentação de hidrogênio (kg/s) necessária para produzir 4 times 10^6 toneladas métricas de etano por ano, admitindo que a reação seja completa e que o processo opere 24 horas por dia, 300 dias por ano. R: 20,6 kg / s.
d) Existe uma desvantagem muito séria ao operar o processo com um reagente em excesso em vez de alimentar os reagentes na proporção estequiométrica. Qual é? (Dica: No processo da parte c), em que consiste o efluente do reator e o que provavelmente deverá ser feito antes que o etano produzido possa ser vendido ou usado?) R: Resposta por conta do (a) discente.

Passo 1

Temos a reação de hidrogenação do acetileno para etano:
C2H2 + 2,H2 longrightarrow C2H6
O enunciado informa que a alimentação entra com 1,50 mol de H2 por mol de C2H2. Vamos aplicar conceitos de estequiometria, reagente limitante e balanço de massa para responder as quatro partes.

Passo 2

(a) A razão estequiométrica de reagente é dada pelos coeficientes da reação, ou seja, para cada 1 mol de C2H2 usa-se 2 mol de H2.
Resposta: H2:C2H2 = 2:1.

Passo 3

(b) Como a alimentação entra com H2/C2H2=1,5:1, menor que a razão estequiométrica 2:1, o H2 é o reagente limitante.
Para quantificar o excesso de C2H2, suponha 1 mol de C2H2 alimentado: reagem 1,5 mol de H2, consumindo 1,5/2=0,75 mol de C2H2. Sobra 1-0,75=0,25 mol.
O excesso relativo ao consumido é
0,250,75times100%approx33,3%

Passo 4

(c) Queremos produzir 4times10^6 t/ano de C2H6.
Massa anual de C2H6: 4times10^6 t =4times10^9 kg.
Massa molar de C2H6: M=30,07 g/mol =0,03007 kg/mol.
nC2H6=4times10^9;kg0,03007;kg/mol approx1,33times10^11;mol/ano
Da estequiometria, consome-se 2 mol de H2 para cada mol de C2H6; assim
nH2=2times1,33times10^11 =2,66times10^11;mol/ano
Tempo de operação anual: 300cdot24cdot3600=2,592times10^7 s.
Massa molar de H2: 0,002016 kg/mol.
mH2 =2,66times10^11;moltimes0,002016;kg/mol approx5,36times10^8;kg/ano,
dot mH2 =5,36times10^8;kg2,592times10^7;s approx20,7;kg/s

Passo 5

(d) Operar com reagente em excesso faz com que o efluente do reator contenha o reagente não consumido (aqui acetileno) misturado ao etano. Antes de vender ou usar o etano é preciso separar e purificar o produto, o que exige unidades adicionais de separação (destilação, adsorção etc.), elevando custos e complexidade do processo.

Resposta

(a) H2:C2H2 = 2:1.
(b) H2 é limitante; excesso de C2H2 = 33,3%.
(c) dot mH2approx20,7;kg/s.
(d) O efluente contém acetileno não reagido, exigindo etapas de separação/purificação para obter etano puro.

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