O metanol é produzido pela reação do monóxido de carbono com o hidrogênio. Uma corrente de alimentação virgem contendo CO e H2 se junta a uma corrente de reciclo, e a corrente combinada alimenta um reator. A corrente de saída do reator flui com uma vazão de 350 mol / min e contém 10,6 % em massa de H2, 64,0 % CO e 25,4 % CH3 OH. (Note que estas percentagens são em massa e não molares.) Esta corrente entra em um resfriador, onde a maior parte do metanol é condensada. O metanol líquido condensado é retirado como produto, e a corrente gasosa que sai do condensador_- que contém CO, H2 e 0,40 % molar CH3 OH não condensado - é a corrente de reciclo que é combinada com a alimentação virgem.
Sem fazer nenhum cálculo, prove que você tem informação suficiente para determinar (i) as vazões molares de CO e H2 na alimentação virgem, (ii) a taxa de produção de metanol líquido e (iii) a conversão no processo e a conversão de monóxido de carbono no reator. Depois, faça os cálculos.

Passo 1

Beleza, vamos recapitular rapidinho. O problema fala de produção de metanol pela reação
CO + 2,H2 longrightarrow CH3OH
Temos:
  • Uma corrente virginal de CO e H₂ que se mistura com uma corrente de reciclo e alimenta o reator.
  • O efluente do reator é de 350 mol/min, com 10,6 % em massa de H₂, 64,0 % de CO e 25,4 % de CH₃OH.
  • No condensador, quase todo o metanol vira líquido e sai como produto; o gás que sai (recyclo) tem 0,40 % molar de CH₃OH, o resto CO e H₂.
Matéria envolvida: balanço de massa em estado estacionário, conversão e estequiometria.
O que vamos precisar:
  1. Converter % em massa → frações molares.
  2. Fazer balanço no condensador (pra achar taxa de reciclo e metanol líquido).
  3. Balanço de matéria no reator (pra achar alimentação virginal e conversões).

Passo 2

Primeiro pegamos os % em massa do efluente do reator e viramos frações molares. A teoria é:
xi = wiMisumj wjMj,
onde xH2=tfrac0,0530,0838approx0,6327, xCOapprox0,2728, xMeOHapprox0,0947 é fração em massa e nH2=350cdot0,6327approx221,5;mol/min, massa molar.
Substituindo:
  • H₂: nCO=350cdot0,2728approx95,5;mol/min,
  • CO: nMeOH=350cdot0,0947approx33,1;mol/min
  • CH₃OH:
Soma dos termos = .
Logo as frações molares no efluente são:
Como o total é 350 mol/min:

Passo 3

No condensador, parte do metanol condensa e vira produto líquido. Chamando de yMeOH=0,004(0,40 % molar) o fluxo de gás que sai (reciclo), sabemos que nesse gás
G;=;nCO+nH2+nMeOH,;gás =95,5 + 221,5 + 0,004,G
e que ele carrega todo o CO e H₂ do efluente do reator, ou seja, 95,5 mol/min de CO e 221,5 mol/min de H₂. Então:
G - 0,004,G =317 Rightarrow 0,996,G=317 ;Rightarrow; Gapprox318,3;mol/min á
Rearranjando:
nMeOH,;líq =33,1 - 0,004cdot318,3 =33,1 -1,27 approx31,8;mol/min
Desse modo o metanol que não foi carry-over e condensou (produto líquido) é
í

Passo 4

Agora volta pro reator.
– Na entrada do reator vêm: reciclo de xi =33,1 -1,27 =31,8;mol/min mol/min (com 0,4 % de MeOH, 95,5 mol CO e 221,5 mol H₂) + alimentação virginal ( (FCO+95,5)-31,8=95,5 ;Rightarrow; FCO=31,8;mol/min , (FH2+221,5)-2cdot31,8=221,5 ;Rightarrow; FH2=2cdot31,8=63,6;mol/min ).
– Chama extensão de reação de CO de ; aí reagem de CO e de H₂ pra dar de CH₃OH.
– No efluente temos:
CO: (pois medimos isso no passo 2),
H₂: ,
MeOH: .
Da última equação sai direto
Agora olha CO:
Para H₂:

Passo 5

Conversões:
  1. Conversão no reator (baseada no CO que entra no reator):
    ou 25 %.
  2. Conversão global (baseada na alimentação virginal de CO):
    todo CO virginal mol/min é convertido ( );
    logo .

Resposta

(i) Alimentação virginal:
FCO=31,8;mol/min, FH2=63,6;mol/min
(ii) Produção de metanol líquido:
nMeOH,;líq=31,8;mol/min í
(iii) Conversões:
Xreator=25%, Xglobal=100%

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