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.
Depois de vários meses de operação, a vazão de metanol líquido que sai do condensador começa a diminuir. Liste pelo menos três possíveis explicações para este comportamento e diga como você checaria a validade de cada uma. (O que você mediria e o que você esperaria obter para saber se a explicação é válida.)

Passo 1

Beleza, então o enunciado diz que estamos produzindo metanol pela reação
CO + 2,H2 ;longrightarrow; CH3OH
Numa planta temos uma corrente “virgem” de CO e H₂ que se junta ao recirculado, vai pro reator e sai a 350 mol/min com 10,6 % em massa de H₂, 64,0 % de CO e 25,4 % de CH₃OH. Depois o efluente passa no condensador: a maior parte do metanol vira líquido (produto) e o gás (com 0,40 % molar de CH₃OH) volta como recirculação. Agora, depois de meses, a vazão de metanol líquido no condensador caiu.
Conteúdo que vamos usar:
  • Balanços de massa e conversão de reação;
  • Princípios de separação por condensação (equilíbrio vapor-líquido);
  • Noções de operação (catalisador, vazões, temperaturas e pressões).

Passo 2

Possível causa 1: Catalisador está desativando
Explicação: Com o tempo o catalisador pode sofrer envenenamento (impurezas) ou sinterização, reduzindo a taxa de conversão de CO+H₂ em metanol.
Como checar:
  • Medir a composição logo na saída do reator (antes do condensador).
  • Se a fração molar (ou massa) de CH₃OH tiver caído significativamente, é sinal de conversão menor.
  • Esperado: antes, digamos, saía X % molares de metanol; agora saiu bem menos.
  • Complemento: retirar uma amostra do catalisador e fazer teste de atividade em bancada (medir taxa de reação a condições padrão).

Passo 3

Possível causa 2: Condições do condensador mudaram
Explicação: Se a temperatura do condensador subiu (ou a pressão caiu, ou a vazão de utilidade de resfriamento diminuiu), menos metanol vai pra fase líquida.
Como checar:
  • Medir a temperatura e pressão no interior do condensador e comparar com a curva de equilíbrio VLE do sistema CO–H₂–CH₃OH.
  • Medir a fração molar de CH₃OH no gás que sai do condensador: se estiver bem acima de 0,40 %, é porque não está condensando direito.
  • Esperado: um aumento de temperatura de alguns graus já reduz muito o condensado; ou uma queda de pressão também.

Passo 4

Possível causa 3: Vazão ou composição da alimentação mudou
Explicação: Se a alimentação virgin ou o recirculado estiverem vindo com proporção H₂/CO errada (ideal perto de 2 mol H₂/1 mol CO) ou com vazão menor, isso impacta a conversão e a produção de metanol.
Como checar:
  • Medir vazões e composições (CO e H₂) das correntes virgin e recirculada antes de entrarem no reator.
  • Calcular a relação H₂/CO e comparar com o valor ótimo (~2).
  • Esperado: se tiver muito CO em excesso ou pouco H₂, a conversão cai e, consequentemente, a quantidade de metanol que chega ao condensador diminui.

Resposta

Três explicações principais para a queda na vazão de metanol líquido no condensador são:
  1. Desativação do catalisador, checada pela queda da fração de CH₃OH na saída do reator ou teste de atividade;
  2. Condições de operação do condensador alteradas (temperatura maior/pressão menor), checada medindo a temperatura, pressão e composição do gás residual;
  3. Mudança na vazão ou composição da alimentação (H₂/CO fora de proporção ou vazão reduzida), checada medindo fluxo e composição antes do reator.

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