1. Metanol é produzido pela reação de CO com H2. A porção de metanol que deixa o reator é condensada, e o CO e H2 não consumidos além do metanol não condensado são reciclados. A vazão de saída do reator é de 275 mol / min e contém 22,7 % de H2, 33 % de CO e 44,3 % de metanol (em base molar). A fração molar do metano na corrente de reciclo é de 0,4%.
    a. Desenhe e rotule o fluxograma do processo. Faça uma análise dos graus de liberdade.
    b. Calcule a vazão molar de CO e H2 na alimentação fresca.
    c. Calcule a taxa de produção do metanol.

Passo 1

O processo faz metanol pela reação
CO + 2,H2 longrightarrow CH3OH
A corrente de saída do reator é de 275, mol/min com composição molar 22,7% de H2, 33% de CO e 44,3% de metanol. Após o condensador retorna-se ao reator o CO e o H2 não consumidos, mais uma pequena fração de metanol ( 0,4 % molar na recirculação).
O que se pede:
a) desenhar/rotular o fluxograma e fazer análise de graus de liberdade;
b) calcular as vazões molares de CO e H2 na alimentação fresca;
c) calcular a taxa de produção de metanol.

Passo 2

Fluxograma (verbal):
1. Corrente fresca: vazão F, com variações FCO e FH2.
2. Corrente de recirculação: vazão R, com fração molar de metanol xM^R=0,004 e o restante H2 e CO na proporção original do gás de saída.
3. Mistura ( 1+2) alimenta o reator.
4. Saída do reator: 275, mol/min, composição conhecida.
5. Condensador: separa metanol condensado e retorna ( 2) o gás com H2, CO e o metanol não condensado.
Análise de graus de liberdade:
Variáveis desconhecidas:
FCO,,FH2,,R,,x (produção de metanol), phi (fração de metanol condensada).
Equações independentes:
– vazão total na saída do reator ( 275);
– balanços de CO, H2 e metanol no reator ( 3 eqns);
– definição de xM^R=0,004 no recirculo ( 1 eqn).
Total: 5 incógnitas e 5 equações Rightarrow graus de liberdade =0 (sistema fechado).

Passo 3

Calcular a vazão de recirculação R e a fração condensada phi.
Na saída do reator temos
nH2^out=275times0,227=62,425, nCO^out=275times0,33=90,75, nM^out=275times0,443=121,825
No recirculo nM^R=(1-phi),nM^out e
(1-phi),nM^outnH2^out+nCO^out+(1-phi),nM^out=0,004
Substituindo valores e resolvendo, encontra-se
1-phi=0,00505Longrightarrowphi=0,99495,
e a vazão de recirculação
R =nH2^out+nCO^out+(1-phi),nM^out =62,425+90,75+0,615=153,79 mol/min

Passo 4

Balanço de matéria sobre o reator (entrada = saída + consumo):
CO:
FCO + RCO - x = nCO^out ;Longrightarrow; FCO +90,75 - x =90,75 ;Longrightarrow; FCO=x
H2:
FH2 + RH2 - 2x = nH2^out ;Longrightarrow; FH2 +62,425 -2x =62,425 ;Longrightarrow; FH2=2x
Metanol:
RM + x = nM^out ;Longrightarrow; 0,615 + x = 121,825 ;Longrightarrow; x = 121,825 - 0,615 = 121,21 mol/min

Passo 5

Substituindo x=121,21 na alimentação fresca:
FCO = x = 121,21 mol/min, FH2 = 2x = 242,42 mol/min

Resposta

a. Fluxograma conforme passo 2; graus de liberdade =0.
b. FCO=121,2 mol/min,;FH2=242,4 mol/min
c. Taxa de produção de metanol x=121,2 mol/min

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