(Felder, p. 183, q. 69) O etanol é produzido comercialmente pela hidratação do etileno:
C2 H4+H2 O C2 H5 OH
Parte do produto é convertida a éter dietílico na reação paralela
2 C2 H5 OH (C2 H5)2 O+H2 O
A alimentação do reator contém etileno, vapor de água e um gás inerte. Uma amostra do efluente do reator é analisada, e contém 43,3% molar de etileno, 2,5% de etanol, 0,14% de éter, 9,3% de inertes e o resto de água.
a) Tomando como base 100 mols do efluente gasoso, desenhe e rotule um fluxograma e faça uma análise dos graus de liberdade baseada nos balanços de espécies atômicas para provar que o sistema tem zero graus de liberdade. R: Resposta por conta do (a) discente.
b) Calcule a composição molar da alimentação do reator, a percentagem de conversão de etileno, o rendimento fracional de etanol e a seletividade da produção de etanol em relação à produção de éter. R: %molares C2 H6=44,8 %, H2 O=46,1 % e inertes =9,1 % ; fC 2 H 4=0,06 ou 6 %, r etanol =0,054 e S etanol / éter =17,9 mol C2 H5 OH / mol(C2 H5)2 Oé.
c) A percentagem de conversão de etileno calculada deve ser muito baixa. Por que você acha que o reator foi projetado para consumir tão pouco reagente? (Dica: Se a mistura reacional permanecesse no reator tempo suficiente para consumir a maior parte do etileno, qual seria, provavelmente, o principal constituinte do produto?) Que passos de processamento adicionais devem acontecer a jusante do reator? R: Resposta por conta do (a) discente.

Passo 1

O que a parte (b) pede?
bul<=t Calcular a composição molar da alimentação do reator.
bul<=t Determinar a percentagem de conversão de etileno.
bul<=t Calcular o rendimento fracional de etanol.
bul<=t Calcular a seletividade da produção de etanol em relação ao éter.
Conteúdo: balanços de massa por espécie ( C2 H4, H2O, C2 H5OH, ( C2 H5) 2O, inertes) usando extensão de reação numa base de 100 mol de efluente.

Passo 2

Base 100 mol de efluente, com composições molares dadas:
C2 H4: 43,3 mol
C2 H5OH: 2,5 mol
– ( C2 H5) 2O: 0,14 mol
– inertes: 9,3 mol
H2O: 100 - (43,3 + 2,5 + 0,14 + 9,3) = 44,76 mol

Passo 3

Definimos as incógnitas e as extensões de reação:
nC2H4,feed, nH2O,feed, ninertes,feed
xi1 = extensão da hidratação ( C2 H4 + H2O to C2 H5OH)
xi2 = extensão da formação de éter ( 2 C2 H5OH to ( C2 H5) 2O + H2O)

Passo 4

Escrevemos os balanços de matéria em blocos separados:
nC2H4,feed - xi1 = 43,3
xi1 - 2,xi2 = 2,5
xi2 = 0,14
nH2O,feed - xi1 + xi2 = 44,76
ninertes,feed = 9,3

Passo 5

Resolvendo passo a passo:
xi2 = 0,14.
Da equação do etanol:
xi1 = 2,5 + 2,xi2 = 2,5 + 2(0,14) = 2,78
Da equação do etileno:
nC2H4,feed = 43,3 + xi1 = 43,3 + 2,78 = 46,08
Da água:
nH2O,feed = 44,76 + xi1 - xi2 = 44,76 + 2,78 - 0,14 = 47,40
Total de alimentação:
nfeed,tot = 46,08 + 47,40 + 9,3 = 102,78 mol

Passo 6

Composição molar da alimentação:
xC2H4 = 46,08102,78 = 0,448 ;(,44,8%),
xH2O = 47,40102,78 = 0,461 ;(,46,1%),
xinertes = 9,3102,78 = 0,091 ;(,9,1%)

Passo 7

Conversão de etileno ( fC2H4):
fC2H4 = xi1nC2H4,feed = 2,7846,08 approx 0,0603;(6%)

Passo 8

Rendimento fracional de etanol ( retanol):
retanol = nC2H5OH,outnC2H4,feed = 2,546,08 approx 0,054

Passo 9

Seletividade de etanol em relação ao éter ( Setanol/éteré):
Setanol/éter = nC2H5OH,outn(C2H5)2O,out = 2,50,14 approx 17,9;mol/mol é

Resposta

Composição da alimentação:
C2 H4 =44,8 %, H2O =46,1 %, inertes =9,1 %.
Conversão de etileno =6 %.
Rendimento fracional de etanol =0,054.
Seletividade etanol/éter =17,9 mol C2 H5OH / mol ( C2 H5) 2O.

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