(Felder, p. 183, q. 67) O metano e o oxigênio reagem na presença de um catalisador para formar formaldeído. Em uma reação paralela, parte do metano é oxidada a dióxido de carbono e água:
& CH4+O2 HCHO+H2 O & CH4+2 O2 CO2+2 H2 O
A alimentação do reator contém quantidades equimolares de metano e oxigênio. Admita uma base de 100 mols de alimentação/s.
a) Deduza expressões para as vazões dos componentes da corrente de produto em termos das duas extensões de reação, varepsilon1 e varepsilon2. R: dotnC H4=50-varepsilon1-varepsilon2 ; dotnO2=50-varepsilon1-2 varepsilon2 ; dotnH C H O=varepsilon1; dotnH2 O=varepsilon1+2 varepsilon2 ; dotnC O2=varepsilon2.
b) A conversão fracional de metano é 0,900 , e o rendimento fracional de formaldeído é 0,855 . Calcule a composição molar da corrente de saída do reator e a seletividade da produção de formaldeído em relação à produção de dióxido de carbono. R : SHCHO / CO2=19 mol HCHO produzidos / mol CO2 produzido; %molares CH4=5,00 % ; O2=2,75 % ; HCHO=42,75 %; H2 O=47,25 % e CO2=2,25 %.

Passo 1

O enunciado descreve duas reações paralelas em fluxo contínuo com alimentação de 100 mol/s, sendo metano e oxigênio em proporção molar 1: 1 (logo dot nCH4,0=50 mol/s e dot nO2,0=50 mol/s). Introduzimos as extensões de reação varepsilon1 (para formação de HCHO) e varepsilon2 (para oxidação a C O2), e vamos deduzir as vazões de produto em função de varepsilon1 e varepsilon2.

Passo 2

Aplicamos balanço de matéria em regime estacionário (fluxo molar de entrada menos fluxo molar consumido pelas reações mais fluxo molar gerado pelas reações):
dot nCH4 = dot nCH4,0 - l(varepsilon1 + varepsilon2r) =50 - varepsilon1 - varepsilon2,
dot nO2 = dot nO2,0 - l(varepsilon1 + 2,varepsilon2r) =50 - varepsilon1 - 2varepsilon2,
dot nHCHO = +,varepsilon1, dot nH2O = +l(varepsilon1 + 2,varepsilon2r), dot nCO2 = +,varepsilon2

Passo 3

Definimos os indicadores de desempenho:
– Conversão fracional de metano
XCH4 =mol de CH4 reagidomol de CH4 alimentado =varepsilon1+varepsilon250 =0,900 Longrightarrow varepsilon1+varepsilon2=45
– Rendimento fracional de formaldeído (base alimentação de metano)
YHCHO =mol de HCHO produzidomol de CH4 alimentado =varepsilon150 =0,855 Longrightarrow varepsilon1=0,855times50=42,75
Logo
varepsilon2=45-42,75=2,25.

Passo 4

Substituímos varepsilon1=42,75 e varepsilon2=2,25 nas expressões do Passo 2:
dot nCH4=50-42,75-2,25=5;mol/s,
dot nO2=50-42,75-2cdot2,25=2,75;mol/s,
dot nHCHO=42,75;mol/s, dot nH2O=42,75+2cdot2,25=47,25;mol/s, dot nCO2=2,25;mol/s

Passo 5

O fluxo total de saída é
dot Nout =5+2,75+42,75+47,25+2,25=100;mol/s
As frações molares são então
yCH4=5100=0,0500, yO2=2,75100=0,0275, yHCHO=42,75100=0,4275,
yH2O=47,25100=0,4725, yCO2=2,25100=0,0225

Passo 6

A seletividade na produção de formaldeído (mol de HCHO por mol de C O2) é
SHCHO/CO2 =dot nHCHOdot nCO2 =42,752,25=19

Resposta

Parte (a):
dot nCH4=50-varepsilon1-varepsilon2, dot nO2=50-varepsilon1-2varepsilon2, dot nHCHO=varepsilon1,
dot nH2O=varepsilon1+2varepsilon2, dot nCO2=varepsilon2
Parte (b):
Seleção dos extents
varepsilon1=42,75, varepsilon2=2,25.
Composição molar de saída
CH4=5,00%,;O2=2,75%,;HCHO=42,75%,; H2O=47,25%,;CO2=2,25%
Seletividade
SHCHO/CO2=19;l(mol HCHO/mol CO2r)

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